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- Title
Genes encoding the biotin carboxylase subunit of acetyl-CoA carboxylase from Brassica napus and parental species: cloning, expression patterns, and evolution.
- Authors
Li, Zhi-Guo; Yin, Wei-Bo; Song, Li-Ying; Chen, Yu-Hong; Guan, Rong-Zhan; Wang, Jing-Qiao; Wang, Richard R.-C.; Hu, Zan-Min
- Abstract
Comparative genomics is a useful tool to investigate gene and genome evolution. Biotin carboxylase (BC), an important subunit of heteromeric acetyl-CoA carboxylase (ACCase) that is a rate-limiting enzyme in fatty acid biosynthesis in dicots, catalyzes ATP, biotin carboxyl carrier protein, and CO2 to form carboxybiotin carboxyl carrier protein. In this study, we cloned four genes encoding BC from Brassica napus L. (namely BnaC.BC.a, BnaC.BC.b, BnaA.BC.a, and BnaA.BC.b), and two were cloned from each of the two parental species Brassica rapa L. (BraA.BC.a and BraA.BC.b) and Brassica oleracea L. (BolC.BC.a and BolC.BC.b). Sequence analyses revealed that in B. napus the genes BnaC.BC.a and BnaC.BC.b were from the C genome of B. oleracea, whereas BnaA.BC.a and BnaA.BC.b were from the A genome of B. rapa. Comparative and cluster analysis indicated that these genes were divided into two major groups, BnaC.BC.a, BnaA.BC.a, BraA.BC.a, and BolC.BC.a in group-1 and BnaC.BC.b, BnaA.BC.b, BraA.BC.b, and BolC.BC.b in group-2. The divergence of group-1 and group-2 genes occurred in their common ancestor 13-17 million years ago (MYA), soon after the divergence of Arabidopsis and Brassica (15-20 MYA). This time of divergence is identical to the previously reported triplicated time of paralogous subgenomes of diploid Brassica species and the divergence date of group-1 and group-2 genes of α-carboxyltransferase, another subunit of heteromeric ACCase, in Brassica. Reverse transcription PCR revealed that the expression level of group-1 and group-2 genes varied in different organs, and the expression patterns of the two groups of genes were similar in different organs, except in flower. However, two paralogs of group-2 BC genes from B. napus could express differently in mature plants tested by generating BnaA.BC.b and BnaC.BC.b promoter-β-glucuronidase (GUS) fusions. The amino acid sequences of proteins encoded by these genes were highly conserved, except the sequence encoding predicted plastid transit peptides. The plastid transit peptides on the BC precursors of Brassica (71-72 amino acid residues) were predicted based on AtBC protein, compared, and confirmed by fusion with green fluorescent protein. Our results will be helpful in elucidating the evolution and the regulation of ACCase in the genus Brassica. La génomique comparée permet d'étudier l'évolution des gènes et des génomes. La biotine carboxylase (BC) est une sous-unité importante de l'acétyl-CoA carboxylase (ACCase) hétéromérique. Cette dernière est une enzyme limitante dans la synthèse des acides gras chez les dicotylédones et elle catalyse l'ATP, la protéine porteuse de carboxyle-biotine et le CO2 pour former la protéine porteuse de carboxybiotine-carboxyle. Dans ce travail, les auteurs ont cloné quatre gènes codant la BC chez le Brassica napus L. (nommément BnaC.BC.a, BnaC.BC.b, BnaA.BC.a et BnaA.BC.b) et deux gènes chacun des espèces parentales, B. rapa L. (BraA.BC.a et BraA.BC.b) et B. oleracea L. (BolC.BC.a et BolC.BC.b). Les analyses de séquences ont révélé que chez le B. napus les gènes BnaC.BC.a et BnaC.BC.b provenaient du génome C du B. oleracea, tandis que les gènes BnaA.BC.a et BnaA.BC.b étaient dérivés du génome A du B. rapa. Des analyses comparées et de groupement ont révélé que ces gènes étaient divisés en deux groupes majeurs, BnaC.BC.a, BnaA.BC.a, BraA.BC.a et BolC.BC.a appartenant au sein du groupe 1 et BnaC.BC.b, BnaA.BC.b, BraA.BC.b et BolC.BC.b formant le groupe 2. La divergence entre ces deux groupes de gènes se serait produite chez leur ancêtre commun il y 13 à 17 millions d'années, soit tôt après la divergence entre Arabidopsis et Brassica (15-20 millions d'années). Cet moment est identique à l'estimé de divergence rapporté antérieurement pour la triplication des sous-génomes paralogues chez les espèces diploïdes du genre Brassica et pour la divergence entre les groupes 1 et 2 de gènes codant pour l'α-CT, une autre sous-unité de l'ACCase hétéromérique chez le genre Brassica. Des analyses RT-PCR ont révélé que l'expression des gènes des groupes 1 et 2 variait au sein de différents organes, et que l'expression des deux groupes de gènes était semblable dans différents organes à l'exception des fleurs. Cependant, deux paralogues des gènes BC du groupe 2 du B. napus s'exprimaient parfois de manière différentielle chez des plantes matures lorsque l'expression était mesurée au moyen de fusions entre les promoteurs BnaA.BC.b et BnaC.BC.b et le gène GUS. Les séquences d'acides aminés des protéines codées par ces gènes étaient largement conservées à l'exception des régions codant pour des peptides de transit vers les plastides. Les peptides de transit vers les plastides chez les précurseurs des messagers BC chez le genre Brassica (71 à 72 acides aminés) ont été prédits sur la base de la protéine AtBC, comparés et finalement confirmés par fusion avec la GFP. Ces résultats aideront à élucider l'évolution et la régulation de l'ACCase chez le colza.
- Subjects
BIOTIN; RUTABAGA; MOLECULAR cloning; GENETIC code; CARRIER proteins; CLUSTER analysis (Statistics); COMPARATIVE studies; REVERSE transcriptase polymerase chain reaction
- Publication
Genome, 2011, Vol 54, Issue 3, p202
- ISSN
0831-2796
- Publication type
Article