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这项研究由周鹏彦（Pengyan Zhou）、曲艳舒（Yanshu Qu）、王中伟（Zhongwei Wang）、黄斌（Bin Huang）、温强（Qiang Wen）、辛悦（Yue Xin）、倪周先（Zhouxian Ni）和徐立安（Li’an Xu）*共同完成，其中徐立安为通讯作者。研究团队主要来自南京林业大学南方可持续林业协同创新中心、森林遗传与生物技术教育部重点实验室等机构。该研究于2023年2月8日发表在《International Journal of Molecular Sciences》期刊上。

研究背景

MADS-box基因家族编码转录因子（transcription factors, TFs），这些因子在植物生长发育过程中起重要作用。浙江油茶（Camellia chekiangoleosa）是一种具有观赏价值的油料树种，但对其分子生物学研究较少，尤其是在发育调控方面。为了探索MADS-box基因在浙江油茶中的可能作用，并为后续研究奠定基础，本研究首次对浙江油茶全基因组中的MADS-box基因进行了系统分析。

MADS-box基因分为两类：Type I和Type II。Type I基因进一步分为Mα、Mβ和Mγ三个亚家族，而Type II基因又称为MIKC型，可细分为MIKCC和MIKC*两个亚型。MIKCC基因在植物花器官发育中起关键作用，其功能包括调控花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊和胚珠的身份。此外，Type II基因还参与种子发育和果实成熟。

研究方法

本研究的工作流程包括以下几个步骤：

1. 基因鉴定与理化性质分析
   使用BLAST比对和隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model, HMM）从浙江油茶全基因组中初步筛选出111个MADS-box基因，最终获得89个结构完整的MADS-box蛋白。通过SMART程序验证了这些蛋白的保守结构域，并分析了其理化性质，如氨基酸序列长度、分子量（MW）和等电点（pI）。所有蛋白均定位于细胞核内。

2. 系统发育分析
   构建了基于拟南芥（Arabidopsis thaliana）、茶树（Camellia sinensis）和浙江油茶的MADS-box基因的系统发育树。结果表明，89个CchMADS蛋白可分为Type I（38个）和Type II（51个）。Type II基因比例显著高于茶树和拟南芥，表明浙江油茶Type II基因经历了更高的复制率或更低的丢失率。

3. 基因结构与基序分析
   分析了MADS-box基因的内含子数量和长度。Type I基因中，21个基因无内含子，13个基因仅含1~2个内含子；而Type II基因含有更多的内含子且内含子更长。部分MIKCC基因具有超大内含子（≥15 kb），这在其他物种中较为罕见。

4. 染色体定位与基因重复分析
   86个CchMADS基因分布在15条染色体上，其余3个基因无法定位到任何染色体。研究发现了一对串联重复基因和多对片段重复基因，并计算了非同义替换率（Ka）和同义替换率（Ks），结果表明这些基因在纯化选择压力下进化。

5. 顺式作用元件分析
   分析了MADS-box基因启动子区域的顺式作用元件，发现这些基因主要响应光信号、激素信号以及果实和种子发育相关信号。

6. 蛋白质-蛋白质相互作用网络预测
   利用拟南芥的同源MADS-box蛋白预测了CchMADS蛋白的相互作用网络，鉴定了17个CchMADS蛋白及其对应的26个功能基因。

7. 组织特异性表达分析
   通过qPCR技术检测了18个CchMADS基因在根、花、叶和种子中的表达模式。结果表明，Type II基因在所有组织中的表达水平显著高于Type I基因，其中CchMADS31和CchMADS58在花中高表达，CchMADS55在种子中高表达。

主要结果

1. 基因鉴定与分类
   共鉴定出89个MADS-box基因，其中Type I基因38个，Type II基因51个。Type II基因比例显著高于茶树和拟南芥，表明其经历了更高的复制率或更低的丢失率。

2. 基因结构特征
   Type I基因结构简单，大多数无内含子或仅含1~2个内含子；而Type II基因含有更多且更长的内含子。部分MIKCC基因具有超大内含子，这可能与其丰富的基因表达有关。

3. 染色体分布与基因重复
   基因不均匀分布于15条染色体上，串联重复和片段重复是基因家族扩展的主要驱动力。

4. 组织特异性表达
   qPCR结果显示，Type II基因在所有组织中的表达水平显著高于Type I基因。CchMADS31和CchMADS58在花中高表达，可能调控花分生组织和花瓣大小；CchMADS55在种子中高表达，可能影响种子发育。

结论与意义

本研究首次系统分析了浙江油茶MADS-box基因家族的结构特性、进化关系和表达模式。研究发现，Type II基因在浙江油茶中比例较高，且具有更多内含子和更长内含子，表明其在生殖器官发育中可能发挥重要作用。此外，部分MIKCC基因具有超大内含子，这可能是浙江油茶花和果实形态特异性的原因之一。

该研究为深入研究浙江油茶生殖器官发育及相关基因功能提供了重要基础，同时也为油茶育种和分子改良提供了理论支持。

研究亮点

1. 首次全面鉴定并分析了浙江油茶MADS-box基因家族。
2. 发现Type II基因在浙江油茶中比例显著高于其他物种。
3. 部分MIKCC基因具有超大内含子，可能与其丰富的基因表达相关。
4. 揭示了CchMADS31、CchMADS58和CchMADS55在花和种子中的特异性表达模式。

其他有价值内容

研究还分析了MADS-box基因启动子区域的顺式作用元件，揭示了其在光信号、激素信号及果实和种子发育中的潜在作用。此外，蛋白质-蛋白质相互作用网络预测为进一步研究CchMADS蛋白的功能提供了线索。