Identification à l’échelle du génome des familles de gènes codant les transporteurs à cassette liant l’ATP (ABC) et des familles de gènes associés aux métaux lourds (HMA) chez le lin (Linum usitatissimum L.)

Citation

Khan, N., You, F.M., Datla, R., Ravichandran, S., Jia, B., Cloutier, S. (2020). Genome-wide identification of ATP binding cassette (ABC) transporter and heavy metal associated (HMA) gene families in flax (Linum usitatissimum L.). BMC Genomics, [online] 21(1), http://dx.doi.org/10.1186/s12864-020-07121-9

Résumé en langage clair

La contamination des aliments, de l’eau et du sol par les métaux lourds est dangereuse pour la santé humaine, et elle a également des effets directs et indirects sur la santé des sols et des cultures. Alors que les métaux lourds comme le zinc, le cuivre, le manganèse, le cobalt et le nickel sont essentiels à divers processus biologiques, d’autres métaux lourds comme l’arsenic, le plomb et le cadmium sont très toxiques pour les plantes et nuisent à la productivité des cultures. Une faible concentration de cadmium dans les graines de lin est un caractère désirable qui est recherché par les sélectionneurs. Dans le cadre de la présente étude, nous avons examiné deux familles de gènes jouant un rôle dans l’accumulation de cadmium : les gènes codant les transporteurs ABC et les gènes associés aux métaux lourds (HMA). L’étude systématique de ces gènes dans l’ensemble du génome du lin a été rendue possible grâce à la publication récente de la version 2.0 de l’excellent séquençage du génome du lin. Nous avons d’abord utilisé des outils bio-informatiques pour identifier 198 gènes codant des transporteurs ABC et 12 gènes HMA chez le lin. La question que nous nous sommes ensuite posée était la suivante : comment déterminer lequel ou lesquels de ces gènes, le cas échéant, pourraient être directement responsables de l’accumulation de cadmium dans les graines de lin? Pour ce faire, nous avons comparé la séquence de ces gènes à celle de gènes codant des transporteurs ABC et de gènes HMA d’autres espèces dont il avait été démontré qu’ils jouaient un rôle dans l’accumulation de cadmium dans les graines. En nous fondant sur les similitudes avec les gènes codant des transporteurs ABC et les gènes HMA du riz, du maïs et d’Arabidopsis, nous avons pu réduire le nombre de candidats de 210 à seulement 9 gènes. Une analyse préliminaire de l’expression de ces gènes a montré que sept d’entre eux étaient fortement exprimés dans les racines, soit le point d’absorption du cadmium, et que huit étaient modérément à fortement exprimés dans les graines, soit la structure où s’accumule le cadmium. Ces deux observations corroborent le rôle potentiel de ces gènes dans l’accumulation de cadmium chez le lin. Cette analyse exhaustive constitue le premier rapport sur les gènes codant les transporteurs ABC et les gènes HMA chez le lin. Ces résultats orienteront les futures expériences visant à déterminer le rôle et les mécanismes d’action de ces gènes dans l’accumulation de cadmium chez le lin.

Résumé

© 2020, les auteurs. Contexte : La publication récente de la séquence de référence du génome du lin (une plante cultivée autofécondée comportant 15 paires de chromosomes) en pseudomolécules à l’échelle des chromosomes a permis de caractériser des familles de gènes. Les familles de gènes codant les transporteurs ABC et les familles de gènes HMA jouent un rôle important dans la lutte contre l’accumulation de cadmium (Cd) dans les cultures. À ce jour, l’analyse pangénomique de ces deux familles de gènes a été réalisée avec succès chez certaines espèces végétales, mais aucune analyse évolutive systématique n’est disponible dans le cas du génome du lin. Résultats : Nous décrivons ici les familles de gènes codant les transporteurs ABC et les familles de gènes HMA chez le lin afin de fournir un aperçu complet de leur évolution et de faciliter l’annotation fonctionnelle de leurs membres. En nous fondant sur les résultats des analyses phylogénétiques et sur la composition des domaines des gènes, nous avons classé les 198 gènes codant les transporteurs ABC en huit sous-familles et les 12 gènes HMA en quatre sous-familles. Neuf de ces gènes, soit LuABCC9, LuABCC10, LuABCG58, LuABCG59, LuABCG71, LuABCG72, LuABCG73, LuHMA3 et LuHMA4, étaient orthologues aux gènes associés au Cd chez Arabidopsis, dans le riz et dans le maïs. Dix motifs ont été identifiés à partir de l’ensemble des gènes codant les transporteurs ABC et des gènes HMA. De plus, plusieurs motifs étaient conservés parmi les gènes de longueur similaire, mais chaque sous-famille avait ses propres structures de motifs. Tant les sous-familles de gènes codant les transporteurs ABC que les sous-familles de gènes HMA étaient hautement conservées entre le lin et Arabidopsis. Bien que quatre types de duplications de gènes aient été observés à des fréquences différentes, les duplications du génome entier ou les duplications segmentaires étaient les plus fréquentes (162 gènes), suivies des duplications dispersées (29 gènes), des duplications en tandem (14 gènes) et des duplications proximales (4 gènes). Ainsi, il semble que les duplications segmentaires sont celles qui ont le plus contribué à l’expansion des deux types de familles de gènes chez le lin. Les taux de mutations de type non synonyme à synonyme (Ka/Ks) dans le cas des gènes appariés qui étaient dupliqués étaient pour la plupart inférieurs à un, ce qui indique une sélection purificatrice prédominante. Seules cinq paires de gènes présentaient clairement une sélection positive avec un taux Ka/Ks supérieur à un. L’analyse de l’ontologie génique semble indiquer que la plupart des gènes codant les transporteurs ABC et des gènes HMA chez le lin jouent un rôle dans la liaison à l’ATP, le transport, l’activité catalytique, l’activité ATPasique et la liaison aux ions métalliques. L’analyse du séquençage de l’ARN de huit organes différents a mis en évidence des profils d’expression diversifiés des gènes et a révélé leur conservation fonctionnelle ou sous-fonctionnelle ainsi que leur néo-fonctionnalisation. Conclusion : La caractérisation des familles de gènes codant les transporteurs ABC et des familles de gènes HMA facilitera l’analyse fonctionnelle des gènes candidats chez le lin et d’autres espèces de plantes cultivées.

Date de publication

2020-12-01