Genome-wide analyses of phenylpropanoid-related genes in Populus trichocarpa, Arabidopsis thaliana, and Oryza sativa: the Populus lignin toolbox and conservation and diversification of angiosperm gene families

摘要

The completion of the Populus trichocarpa (Torr. & A. Gray) (poplar) genome sequence offers an opportunity to study complete genome families in a third fully sequenced angiosperm (after Arabidopsis and rice) and to conduct comparative genomics studies of angiosperm gene family evolution. We focussed on gene families encoding phenylpropanoid and phenylpropanoid-like enzymes, and identified and annotated the full set of genes encoding these and related enzymes in the poplar genome. We used a similar approach to identify an analogous set of genes from the rice genome and generated phylogenetic trees for nine phenylpropanoid gene families from aligned poplar, Arabidopsis, and rice predicted protein sequences. This enabled us to identify the likely full set of bona fide poplar lignin-related phenylpropanoid genes (poplar “lignification toolbox”) apparent within well-defined clades in all phylogenetic trees. Analysis of expression data for poplar genes confirmed and refined annotations of lignin-related genes, which generally showed high expression in wood-forming tissues. Expression data from both poplar and Arabidopsis were used to make inferences regarding biochemical and biological functions of phenylpropanoid-like genes with unknown functions. The comparative approach also provided insights into the evolution of angiosperm phenylpropanoid-like gene families, illustrating lineage-specific clades as well as ancient clades containing genes with apparent conserved function.L'obtention de la séquence génomique complète du Populus trichocarpa (Torr. & A. Gray) (peuplier) offre l'opportunité d'étudier des familles génomiques complètes chez une troisième angiosperme complètement séquencée (après l'Arabidopsis et le riz), et de conduire des études de génomique comparée sur l'évolution des familles de gènes des angiospermes. Les auteurs se sont intéressés aux familles de gènes codant les enzymes des phénylpropanoïdes et apparentées aux phénylpropanoïdes, et ont identifié et annoté l'ensemble des gènes codant ces enzymes, et autres apparentées, dans le génome du peuplier. Ils ont utilisé une approche similaire, pour identifier un ensemble de gènes analogues du génome du riz, et ont généré des arbres phylogénétiques pour neuf familles de gènes phénylpropanoïdes, à partir des séquences protéiniques prédites alignées chez le peuplier, l'Arabidopsis et le riz. Ceci a permis d'identifier l'ensemble probablement complet des gènes phénylpropanoïdes reliés à la lignine, chez le peuplier (« boîte à outil de la lignification » du peuplier), qu'on retrouve dans des clades bien définis de tous les arbres phylogénétiques. L'analyse des données d'expression des gènes du peuplier confirme et raffine les annotations des gènes reliés à la lignine, lesquels montrent généralement une forte expression dans les tissus générateurs du bois. On a utilisé les données d'expression du peuplier aussi bien que de l'Arabidopsis pour en inférer les fonctions biochimiques de gènes apparentés à des phénylpropanoïdes de fonctions inconnues. L'approche comparative ouvre une porte sur l'évolution des familles de gènes apparentées aux phénylpropanoïdes des angiospermes, illustrant des clades spécifiques aux lignées, ainsi que d'anciens clades contenant des gènes ayant des fonctions apparemment conservées.