Comprehensive analysis of NAC transcription factors in diploid Gossypium: sequence conservation and expression analysis uncover their roles during fiber development

• DOI: 10.1007/s11427-016-5001-1
• Publication Date: 2016-01-23T11:42:57Z
• Authors: Haihong Shang; Zhongna Wang; Changsong Zou; Zhen Zhang; Weijie Li; Junwen Li; Yuzhen Shi; Wankui Gong; Tingting Chen; Aiying Liu; Juwu Gong; Qun Ge; Youlu Yuan
• Keywords: Gene duplication; Plant Science; Gene; Agricultural and Biological Sciences; Computational biology; 03 medical and health sciences; Environmental Science(all); Gene Expression Regulation, Plant; Ploidy; Subfunctionalization; Functional divergence; Genetics; Genomic Studies of Cotton Fiber Development and Improvement; Biology; Tandem exon duplication; Gossypium; 0303 health sciences; Genome; Agricultural and Biological Sciences(all); Biochemistry, Genetics and Molecular Biology(all); Life Sciences; Promoter; Diploidy; Transcriptome Profiling; FOS: Biological sciences; Gene expression; Transcription factor; Transcriptome; Gene family; Transcription Factors

Déterminer comment la fonction évolue après la duplication génique est nécessaire pour comprendre l'expansion génique. Les facteurs de transcription (TF) sont une classe de protéines qui régulent l'expression des gènes en se liant à des éléments spécifiques agissant en cis dans les promoteurs des gènes cibles, activant ou réprimant ensuite leur transcription. Dans la présente étude, nous avons systématiquement examiné la diversification fonctionnelle de la famille des facteurs de transcription NAC (NAC-TF) en analysant leur localisation chromosomique, leur structure, leur phylogénie et leur modèle d'expression chez Gossypium raimondii (Gr) et G. arboreum (Ga). Les gènes 145 et 141 NAC identifiés dans les génomes Gr et Ga, respectivement, ont été annotés et divisés en 18 sous-familles, qui ont montré une divergence distincte dans la structure des gènes et les modèles d'expression au cours du développement des fibres. De plus, lorsque les paramètres fonctionnels ont été examinés, une divergence claire a été observée au sein des grappes en tandem, ce qui suggère que la sous-fonctionnalisation s'est produite parmi les gènes dupliqués. Les schémas d'expression des paires de gènes homologues ont également changé, suggérant la diversification de la fonction des gènes au cours de l'évolution du coton diploïde. Ces résultats fournissent des informations sur les mécanismes sous-jacents à la différenciation fonctionnelle des gènes NAC-TF dupliqués chez deux espèces de coton diploïdes.<br/>Determinar cómo evoluciona la función después de la duplicación de genes es necesario para comprender la expansión de genes. Los factores de transcripción (FT) son una clase de proteínas que regulan la expresión génica mediante la unión a elementos específicos que actúan en cis en los promotores de los genes diana, activando o reprimiendo posteriormente su transcripción. En el presente estudio, examinamos sistemáticamente la diversificación funcional de la familia de factores de transcripción NAC (NAC-TF) mediante el análisis de su ubicación cromosómica, estructura, filogenia y patrón de expresión en Gossypium raimondii (Gr) y G. arboreum (Ga). Los 145 y 141 genes NAC identificados en los genomas Gr y Ga, respectivamente, se anotaron y dividieron en 18 subfamilias, que mostraron una clara divergencia en la estructura génica y los patrones de expresión durante el desarrollo de la fibra. Además, cuando se examinaron los parámetros funcionales, se observó una clara divergencia dentro de los grupos en tándem, lo que sugería que se había producido una subfuncionalización entre los genes duplicados. Los patrones de expresión de los pares de genes homólogos también cambiaron, lo que sugiere la diversificación de la función génica durante la evolución del algodón diploide. Estos hallazgos proporcionan información sobre los mecanismos subyacentes a la diferenciación funcional de los genes NAC-TF duplicados en dos especies de algodón diploide.<br/>Determining how function evolves following gene duplication is necessary for understanding gene expansion. Transcription factors (TFs) are a class of proteins that regulate gene expression by binding to specific cis-acting elements in the promoters of target genes, subsequently activating or repressing their transcription. In the present study, we systematically examined the functional diversification of the NAC transcription factor (NAC-TFs) family by analyzing their chromosomal location, structure, phylogeny, and expression pattern in Gossypium raimondii (Gr) and G. arboreum (Ga). The 145 and 141 NAC genes identified in the Gr and Ga genomes, respectively, were annotated and divided into 18 subfamilies, which showed distinct divergence in gene structure and expression patterns during fiber development. In addition, when the functional parameters were examined, clear divergence was observed within tandem clusters, which suggested that subfunctionalization had occurred among duplicate genes. The expression patterns of homologous gene pairs also changed, suggestive of the diversification of gene function during the evolution of diploid cotton. These findings provide insights into the mechanisms underlying the functional differentiation of duplicated NAC-TFs genes in two diploid cotton species.<br/>إن تحديد كيفية تطور الوظيفة بعد ازدواجية الجينات أمر ضروري لفهم توسع الجينات. عوامل النسخ (TFs) هي فئة من البروتينات التي تنظم التعبير الجيني عن طريق الارتباط بعناصر محددة ذات تأثير CIS في معززات الجينات المستهدفة، وبالتالي تنشيط أو قمع نسخها. في هذه الدراسة، فحصنا بشكل منهجي التنويع الوظيفي لعائلة عامل نسخ NAC (NAC - TFs) من خلال تحليل موقعها الكروموسومي وبنيتها وتطورها ونمط تعبيرها في Gossypium raimondii (Gr) و G. arboreum (Ga). تم شرح جينات NAC 145 و 141 المحددة في جينوم Gr و Ga، على التوالي، وتقسيمها إلى 18 عائلة فرعية، والتي أظهرت تباينا واضحا في بنية الجينات وأنماط التعبير أثناء تطور الألياف. بالإضافة إلى ذلك، عند فحص المعلمات الوظيفية، لوحظ تباعد واضح داخل المجموعات الترادفية، مما يشير إلى حدوث تفرع وظيفي بين الجينات المكررة. كما تغيرت أنماط التعبير عن أزواج الجينات المتماثلة، مما يشير إلى تنوع وظيفة الجينات أثناء تطور القطن ثنائي الصيغة الصبغية. توفر هذه النتائج رؤى حول الآليات الكامنة وراء التمايز الوظيفي لجينات NAC - TFs المكررة في نوعين من القطن ثنائي الصيغة الصبغية.<br/>