MADS-box gene evolution in Carex (Cyperaceae) based on genome data

Abstract

MADS-box genes are transcription factors that control eukaryote development and growth, particularly in regulating flower development in plants through the ABC(D)E model. Revealing the functions of MADS-box genes and their regulatory network, together with other related genes, will play a key role in understanding the evolution of angiosperms. However, studies on floral MADS-box genes in many major lineages of angiosperms have not yet been conducted. Carex, with approximately 2,000 species, is the fifth largest genus in angiosperms and has unique floral morphology, including the perigynium, a sac-like structure covering gynoecium. Detection of MADS-box genes and their functional studies in Poales have primarily focused on Poaceae, which includes several model plants, rather than Cyperaceae. In this study, I detected MADS-box genes in Carex as a representative of Cyperaceae. I first determined draft genomes from five Carex species (C. siderosticta, C. paxii, C. dickinsii, C. breviculmis, and C. capricornis) based on both long-read (Nanopore) and short-read (Illumina and MGI) sequences. The genomes were of high quality, with 48 to 168 contigs, and had BUSCO values over 94.5%. I analyzed two previously reported Carex genomes and representatives of other Poales lineages in conjunction with five newly sequenced genomes from this study. The relationship of the family level of the constructed species tree for twelve genomes was well-matched with known angiosperm phylogeny. In Carex, subg. Carex formed a sister to subg. Euthyceras. The shared orthogroups of six angiosperm species (A. trichopoda, A. thaliana, O. sativa, J. effusus, C. siderosticta, and C. littledalei)were 8,300 and 1,436 orthogroups were Carex-specific. The MADS-box genes from Amborella trichopoda, Oryza sativa, and Arabidopsis thaliana were used as references in the detection process. Approximately 900 MADS-box genes were detected from these twelve genomes. The maximum-likelihood tree using an amino-acid-aligned DNA matrix was constructed and a detailed analysis of each Type Ⅰ and Type Ⅱ MADS-box genes was conducted. The phylogenetic tree of whole MADDS-box genes showed a clear grouping of Type Ⅰ and Type Ⅱ genes with a few exceptions. In Type Ⅰ analysis, our results show that the four major subgroups of Type Ⅰ MADS-box genes defined based on the Arabidopsis genes should be divided into an additional number of subgroups when considering the evolution of the entire angiosperm MADS-box genes. In the analysis of Type Ⅱ MADS-box gene, seventeen subfamilies were recognized. In AGL12, StMADS11, AGL17, TM3, SEP, and SQUA subfamilies, highly supported shared gene duplications across Carex species were detected. Especially, Carex-specific duplication events were found in AGL17 and StMADS11 subfamilies. I also compared various methods for detecting MADS-box genes and discussed the boundary of the MADS-box gene family. Our findings will shed light on the evolution of the floral structure and genome of Carex, which serves as a representative for the Cyperaceae.|MADS-box 유전자는 진핵생물의 발달과 성장을 조절하는 전사인자로, 특히 ABC(D)E 모델을 통해 식물의 꽃 발달을 조절하는 데 중요한 역할을 한다. 다른 관련된 유전자들과 함께 MADS-box 유전자의 기능과 조절적인 네트워크를 밝히는 것은 피자식물의 진화를 이해하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다. 그러나 아직 많은 주요 피자식물 계통에서 꽃의 MADS-box 유전자에 대한 연구가 수행되지 않았다. 약 2,000종이 속해있는 사초속은 피자식물 중 다섯 번째로 큰 속이며, 심피를 감싸는 주머니같은 기관인 과포(perigynium)를 포함한 독특한 꽃의 형태를 가진다. 벼목 내에서 MADS-box 유전자의 검출과 그 기능적 연구는 주로 사초과보다는 여러 모델 식물 종들을 포함하는 벼과에 집중되어 왔다. 본 연구에서는 사초과를 대표하는 사초속에서 MADS-box 유전자들을 식별했다. 첫 번째로 다섯 종의 사초속 식물들(대사초, 대구사초, 청사초, 양뿔사초, 도깨비사초)의 전체 유전체의 초안을 결정했다. 결정된 유전체들은 48~168개의 contigs를 가지는 고품질의 유전체이며, 94.5 % 이상의 BUSCO 값을 보인다. 다음으로 본 연구에서 결정한 다섯 종의 사초속 식물들과 더불어 이전에 보고된 두 개의 사초속 유전체들과 벼목에 속하는 다른 대표 식물로써 두 종의 골풀과 식물들을 함께 분석하였다. 본 연구에서 결정한 사초속 식물 5종을 포함한 12 종의 종 계통수를 그린 결과 기존에 잘 알려진 피자식물의 계통수와 일치하였다. 사초속 내부에서는 subg. Carex가 subg. Euthyceras와 자매그룹을 형성하였다. 여섯 종의 피자식물(A. trichopoda, A. thaliana, O. sativa, J. effusus, C. siderosticta, and C. littledalei)의 공통 orthogroups은 8,300개이며, 1,436개의 orthogroups이 사초속 특이적임을 확인하였다. MADS-box 유전자의 검출에는 잘 연구된 Amborella trichopoda, Arabidopsis thaliana, 그리고 Oryza sativa를 대표 식물로써 사용하였다. 12종의 유전체로부터 대략 900개의 MADS-box 유전자들이 식별되었다. 단백질 서열로 align한 후 DNA matrix로 maximum-likelihood 계통수를 생성하였고 Type Ⅰ과 Type Ⅱ 유전자들 각각의 세부 분석을 진행하였다. 전체 MADS-box 유전자들의 계통수는 몇 개의 예외 사항을 제외하고 Type Ⅰ과 Type Ⅱ 유전자들은 각각 높은 지지도의 분계군으로 묶였다. Type Ⅰ 분석 결과는 전체 피자식물의 MADS-box 유전자들의 진화를 고려할 때는 Arabidopsis 연구를 바탕으로 한 네 개의 Type Ⅰ subgruops은 더 많은 subgroups로 나눠야 함을 제시한다. Type Ⅱ 유전자들만의 계통 분석 결과 17개의 subfamilies가 인식되었다. AGL12, StMADS11, AGL17, TM3, SEP, 그리고 SQUA subfamilies에서는 각각 사초속의 기원 이후에 유전자 중복이 일어난 것이 확인되었고, 이러한 중복 현상은 유전자 계통수에서 강력하게 지지 되었다. 특히 AGL17과 StMADS11에서는 각각 사초속 특이적 중복이 발견되었다. 완성된 유전체 서열로부터 MADS-box 유전자들을 검출하는 방법들 또한 논의되었다. 본 연구는 사초과의 사초속 식물들을 대표하는 식물들의 전체 유전체를 밝혀냈고, 이들의 MADS-box 유전자들을 검출하여 이들의 유전자 진화의 역사를 제시하였다. 이들 유전자들에 대한 향후 연구는 대부분의 다른 피자식물들과는 상이한 구조를 갖는 사초속 식물 꽃의 각 부분에 대한 기원과 형태적 진화를 밝히는 데 기여할 것으로 기대된다.