Have the largest plant genomes evolved as an adaptation to geophytic strategy?

Mgr. Pavel Veselý, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Velikost genomu u rostlin a její selektivní význam je již několik desetiletí předmětem výzkumu, přesto však některé otázky stále zůstávají nezodpovězeny. Velikost genomu ovlivňuje množství znaků na rostlinách (např. velikost průduchů, maximální výška, hmotnost semen) a má celou řadu fyziologických (např. hospodaření s vodou) a ekologických (např. fenologie, minimální generační doba, životní formy) důsledků. Není však jasné, jak tyto vztahy fungují u druhů s obřími genomy a zda a případně jak jsou tyto druhy limitovány. Otázkou je též, jaký vliv může mít rozdílné zastoupení GC bází v genomech a zda tento poměr bází má nějakou souvislost s velikostí genomu. Proto jsem se ve své dizertační práci zaměřil na geofyty, které se díky častému výskytu velkých genomů jeví jako vhodná modelová skupina k testování zmíněných vztahů. Získaná data ukazují, že evoluce velkých genomů u geofytů je těsně spojena s brzkým kvetením, většími průduchy a kratší vegetační sezónou. Klíčem k pochopení takového omezení by mohla být fyziologie průduchů, kdy na základě měření více než třiceti párů příbuzných druhů s rozdílnou velikostí genomu a průduchů se velké průduchy ukázaly být proti menším pomalejší, což znamenalo větší ztrátu vody transpirací. Nárůst velikosti genomu nebyl pozorován jen u jarních geofytů. Srovnání 47 párů geofytů a příbuzných negeofytů potvrzuje, že přechod na geofytní strategii vede k evoluci větších genomů, což lze připisovat zásobám energie v podzemních orgánech. Obsah GC bází u geofytů sice příliš nevypovídá o jejich ekologii, ale má unimodální vztah k velikosti genomu. Mohla by tedy existovat obecnější příčina v uspořádání DNA ve velkých genomech, která by vyšší podíl GC bází vylučovala. Hmotnost semen geofytů neukázala významný vztah k velikosti genomu, zato však souvisí s ekologií, která patrně hraje významnější roli v selekci a zakrývá možný vliv velikosti genomu.

Abstract:

For several decades, the genome size and its selective significance is a subject of research, nevertheless, some questions still remain unanswered. The genome size affects a number of plant traits (e. g. stomatal size, maximum height, seed mass) and has a series of physiological (e. g. water use efficiency) and ecological (e. g. phenology, minimum generation time, life forms) implications. However, it is not clear how do these relationship function for species with giant genomes and if and how are these species limited. There is also a question what consequences a different GC base content in genomes can have and if the base ratio relates somehow to genome size. Thus I focused my dissertation thesis on geophytes which due to frequent occurrence of large genomes appear to be a suitable model group for testing the mentioned relationships. Acquired data show that evolution of large genomes in geophytes is closely associated with earlier flowering, larger stomata and shorter growing season. The key to such constraint could be seen in a physiology of stomata. Based on the measurements of more than thirty pairs of related species with contrasting genome and stomatal sizes, larger stomata showed to be slower than smaller ones which resulted in higher transpirative water loss. The increase of genome size was observed not only in spring geophytes. Comparison of 47 pairs of geophytes and their non-geophytic relatives confirms that the transition to geophytic strategy leads to an evolution of larger genomes that can be accounted to the energy reserves in the subterranean organ. The genomic GC base composition of geophytes does not tell much about their ecology, still it has a unimodal relationship with genome size. There could exist a general constraint on organization of DNA which would prevent a higher GC contents in large genomes. The seed mass of geophytes did not show significant link to genome size, yet it relates to ecology which perhaps plays a more important role in selection and masks the potential effect of the genome size.

Keywords

Evoluce velikosti genomu, AT/GC genomový poměr, geofyty, životní forma, zásobní orgán, hlíza, cibule, oddenek, fenologie, efemeroidy, ekologie, velikost průduchů, rychlost průduchů, hmotnost semen, Genome size evolution, AT/GC genomic ratio, geophytes, life-form, storage organ, tuber, bulb, rhizome, phenology, ephemeroids, ecology, stomatal size, stomatal speed, seed mass

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 6. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 24. 9. 2015
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Bureš, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Jan Suda, Ph.D., Dr. Eva Maria Temsch

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Botany