​“ 2024年7月国际分子科学杂志(International Journal of Molecular Sciences)发表了一篇题为“

Genome-Wide Analysis of the Auxin/Indoleacetic Acid(Aux/IAA) Gene Family in Autopolyploid Sugarcane(Saccharum spontaneum)”的文章，文章鉴定了甘蔗野生种割手密(Saccharum spontaneum)基因组的生长素(IAA)基因家族，揭示了割手密IAA基因家族的基因进化和生物学功能。”

植物激素生长素又称吲哚-3-乙酸（IAA），在促进植物生长发育及调节植物对环境因素反应等方面至关重要。割手密(Saccharum spontaneum) 基因组中鉴定出92个IAA家族成员，分布在32条（4n）染色体上，并基于系统发育和motif分为三个组，进行基因家族扩张分析。通过顺式作用元件预测了参与植物激素调节和应激反应的启动子，以及q-PCR实验室功能验证中，在盐胁迫和冷胁迫条件下IAA基因的表达趋势。

结果

01. 割手密基因组中IAA基因的鉴定及分布

以水稻31个IAA基因蛋白全长序列为参考序列，通过blastP方法鉴定，在割手密(v20190103)基因组中鉴定出38个基因cluster。每个cluster中包含割手密基因组的多个等位基因和非等位基因，共92个IAA基因家族成员。

并按照水稻直系同源基因以及割手密基因组内同源基因的信息对92个IAA基因进行新命名。

针对92个IAA基因计算了理化性质。

水稻和割手密的IAA基因之间关系如系统发育树所示：使用MEGA-X软件中的邻接法构树，根据进化枝被分为三个组。

02.基因在染色体上定位

绘制了基因家族染色体定位图。如图所示：在32（4n）条染色体上，非均匀分布着92个IAA基因家族成员。

03. 基因家族motif分析、基因结构分析、多序列比对分析

使用MEME工具对IAA蛋白序列进行motif分析，挑选前10个最保守的motif进行展示。如图所示：在结果中motif1和motif3为92条蛋白序列所共有，在维持蛋白质正常结构和功能方面有重要作用。

根据基因结构分析展示：不同分组（Group I II III）之间在基序组成和外显子数量上有很大差异。结构上的多样性可能源于基因家族进化及其在各种生物过程中的潜在作用。

挑选每个cluster中的代表基因的蛋白序列构建多序列比对分析。如图所示：展示了序列中IAA基因家族的4个保守结构域（I II III IV），以及在结构域（III IV）二级结构上的β折叠和α螺旋位置。

针对IAA结构域进行三维结构预测，从基因家族三个组中挑选代表基因的蛋白序列提交给SWISS-MODEL数据库，采用同源建模方法进行预测。如图所示：在二维β3和β4位置处（蓝色椭圆），三维结构展现出不同的保守性。

其中SsIAA15c（组II）缺乏β3和β4，SsIAA23（组 III）具有典型的 β3 和 β4，而SsIAA18a（组 I）含有延长的 α1。除了这些区域外，其他二级结构表现出结构保守性，这表明此处的结构变化可能导致了这些蛋白质的功能多样性。

04. 基因家族的加倍与复制分析

文章通过MCScanX工具做了基因组内的共线性分析，得到基因组内基因家族的基因复制事件数量。如图所示：37 个基因（40%）来源于全基因组重复 (WGD) 或片段重复，而 19 个、2 个和 3 个基因分别通过分散重复、近端重复和串联重复进化而来，5 个基因是单一基因，而 26 个基因来源不明。

文章做了物种间共线性分析。如图所示：割手密与单子叶植物（水稻高粱）之间的基因同源性高于双子叶植物（拟南芥），这与物种的遗传进化有关。

05. 预测顺式作用元件分析

针对92个基因的启动子序列利用PlantCARE工具预测顺式作用元件。如图所示：将作用元件分为三大类进行展示，分别是与激素反应性相关元件、应激反应性相关元件以及与生长发育相关元件。这种顺式元件的多样性表明IAA基因可能参与各种生物活动，作为各种激素反应和其他重要生物过程之间的纽带。

06. IAA基因家族在割手密生长发育和激素中的表达

针对IAA基因家族在植物中的生物学功能，选取不同阶段或不同位置的组织样本进行转录组分析得到基因表达量数据。并绘制热图：

图A. IAA基因在不同发育阶段组织中的表达

图B. IAA基因在叶片上不同部位组织中的表达

图C. IAA基因在24小时不同时间点组织中的表达

将基因聚类结果分为四个cluster，不同cluster之间基因的表达模式有很大的差异。

文章又做了基于盐胁迫和冷胁迫下基因的q-PCR分析，以揭示IAA基因家族成员在响应非生物胁迫中的潜在作用。如图所示：

图A：5个IAA基因在盐处理后5个时间点的表达趋势

图B：4个IAA基因在冷处理后5个时间点的表达趋势

在不同胁迫处理中，SsIAA23都表现出很高的基因表达上调趋势。将SsIAA23列为重点关注基因。

07. 基因的亚细胞定位预测

挑选SsIAA23及SsIAA12.1a进行GFP亚细胞定位实验。如图所示：在共聚焦显微镜下，两个蛋白均位于细胞核中，与预测的位置一致。

08. 基因家族成员的蛋白互作网络分析

利用STRING网站工具，基于SsIAA蛋白与水稻蛋白质的同源性，建立了由 SsIAA 蛋白组成的相互作用网络，旨在深入研究这些蛋白质之间的潜在联系。如图所示：

图A：SsIAA与ARFs蛋白的PPI，发现了几个作为调控网络中的枢纽基因，与 ARF 相互作用

图B：SsIAA相互之间的PPI，互作图展示大多数SsIAA彼此之间不相互作用。