خصوصیات تکاملی ژنوم و تجزیه‌وتحلیل بیان دیجیتال ژن‌های مرتبط با مسیر بیوسنتز پلی‌آمین‌ها در نخود زراعی

در گیاهان پوترسین (put)، اسپرمیدین (spd) و اسپرمین (spm)، همه به خانواده پلی‌آمین‌ها تعلق دارند و نقش آن‌ها در چندین فرآیند زیستی از جمله رشد، نمو و پاسخ به محرک های محیطی به میزان اندکی مطالعه شده است. این پژوهش به توصیف تکاملی in-silico ژنوم اعضای خانواده ژن‌های مسیر بیوسنتز پلی‌آمین‌ها شامل آرژنین/ارنیتین دکربوکسیلاز (adc/odc)،spd سینتاز (spds) و spm سینتازspms) ( و الگوی بیان دیجیتال این ژن‌ها در مراحل نموی در بافت‌های مختلف نخود(cicer arietinum l.) ، همراه با تجزیه‌ و تحلیل هستی‌شناسی ژنی (go) و شبکه ژنی مبتنی بر ارتباط ژن-ژن می پردازد. ژن‌های بیوسنتزی پلی‌آمین‌ها، همگی بر روی کروموزوم‌های 2، 4، 5، 6 و 7 مستقر بودند. چارچوب خوانش باز (orf[1]) آن‌ها 990 تا 2199 جفت‌باز بوده و پروتئین‌هایی را رمزگذاری می‌کردند که محتوی 329 تا 732 اسیدآمینه بود. مقادیر وزن مولکولی برای این توالی‌ها از 36.59 تا 78.74 کیلودالتون (kda) بود. پیش‌بینی مکان‌یابی درون سلولی نشان داد که پروتئین‌های adc،spdss  و spms احتمالا در آپوپلاست (خارج سلول) قرار دارند در حالی‌که odc عمدتاً در میتوکندری مستقر می باشد. پیش‌بینی شکل سه‌بعدی (3-d) این پروتئین‌ها بیانگر تنوع ساختاری آن‌هاست. تجزیه و تحلیل ساختار دوم نشان داد که این پروتئین‌ها درصدهای متفاوتی از آلفا هلیکس، بتا شیت، مارپیچ و حالت دور برگردان دارند. تجزیه و تحلیل ساختار ژن نشان داد که توالی ژن های adc و odc منحصربفرد بوده در حالی‌که برای spdss و spms دوبل شدن تکراری و پراکنده رخ داده است. تجزیه و تحلیل فیلوژنتیک دیدگاه عمیق‌تری در مورد روابط تکاملی مابین پروتئین‌ها و همچنین کارکردهای احتمالی آن‌ها ارائه می‌دهد. همردیفی چندگانه شباهت زیادی را در دومن‌های حفاظت شده نشان دادند اما در دو انتهای آمینی و کربوکسیلی واگرایی داشتند. درخت فیلوژنتیک نشان داد که در نخود توالی adc و odc موتیف های پروتئینی بسیار حفاظت شده ای داشته و هیچ اینترونی در توالی این دو ژن وجود نداشت. نتایج بیانگر آن است که spdsها و spmsها حاوی هفت تا ده اینترون هستند و اکثر این ایزوفرم‌ها دارای تعداد اگزون مشابه اما طول اگزون و اینترون متفاوت هستند. تجزیه و تحلیل بیان دیجیتال ژن در طول فرآیندهای رشد نشان داد که ژن‌های مسیر بیوسنتز پلی‌آمین‌ها نقش به‌سزایی در تنظیم دقیق چرخه‌ زندگی گیاهان دارند. با توجه به نتایج داده کاوی در پایگاه اطلاعاتیest، سطوح بیان بالای این ژن‌ها خصوصا adc در ریشه و برگ نخود زراعی شناسایی شد، در حالی‌که odc در چنین شرایطی دارای سطوح بیان کم یا بدون بیان بود. این اطلاعات منبعی مفید در تحقیقات آینده در مورد عملکرد و ساختار اعضای خانواده ژن‌های مرتبط با بیوسنتز پلی‌آمین گیاهی محسوب شده و به‌کارگیری و دستکاری مسیرهای متابولیک ژنی مرتبط با پلی‌آمین‌ها را در برنامه‌های اصلاحی نخود فراهم می‌آورد.

genome-wide evolutionary characterization and digital expression analysis related to polyamine biosynthetic genes in chickpea

in plants, putrescine (put), spermidine (spd), and spermine (spm), all belong to the polyamine family, and their roles in several biological processes such as growth, development, and various responses to stimuli have been little studied. this report deals with the in-silico genome-wide evolutionary characterization of polyamine biosynthetic genes family members (including arginine/ornithine decarboxylase (adc/odc), spd synthase (spds), and spm synthase (spms), respectively) and their digital gene expression profiling analysis in different tissues along with gene ontology (go) and gene-gene based network analysis in chickpea (cicer arietinum l.). based on bioinformatics analysis, identified five different putative polyamine biosynthetic gene pathways located on chromosomes 2, 4, 5, 6 and 7, respectively. their open reading frames ranged in size from 990 to 2199 bp, encoding proteins with lengths of 329 to 732 aa. the mw values for these 5 sequences ranged from 36.59 to 78.74 kda while pi values were 5.08 to 6.67. caadc, caspdss and caspmss were predicted to localize in apoplast (extracellular). caodc were found primarily in mitochondria. the prediction of the three-dimensional shape (3-d) of these proteins shows their structural diversity. the analysis of the second structure showed that these proteins have different percentages of alpha-helices, beta sheet, random coil and turn. analysis of gene structure showed that the sequence of adc and odc were singleton while the spds and spms sequence showed dispersed duplication. the phylogenetic analysis provides further insights into the evolutionary relations between these proteins, as well as their putative functions. multiple alignments revealed high similarity in their conserved domain but divergence in the n- and c-terminals. the phylogenetic tree showed that the adc and odc sequences in chickpea have very conserved protein motifs and there are no introns in the sequence of these two genes. spdss and spmss are divided into two distinct groups based on the presence of similar protein motifs. the results indicate that spdss and spmss contain seven to ten introns and most of these isoforms have the same number of exons but different lengths of exons and introns. analyzing digital gene expression during developmental processes revealed that polyamine biosynthetic genes play a more significant role in fine-tuning plant life cycle. according to the results of data mining in the est database, high expression levels of pas biosynthesis genes, especially adc, were identified in leaf and root, while, odc had low or no expression level in all of this tissues. when considered together, these results provide valuable information for future research with regard to polyamine biosynthetic gene family members’ function and structure in plants and also provide applying and manipulation of pa biosynthetic gene pathways in chickpea breeding programs.