Organizace a složení genomu mezidruhových kříženců rostlin

Mgr. Kateřina Perničková, Ph.D.

Doctoral thesis

Genomic structure and organization of plant interspecific hybrids

Abstract:

Vzdálená hybridizace a přenos chromozomů mezi různými druhy rostlin umožňují šlechtitelům vyvinout nové odrůdy plodin nesoucích výhodné alely pocházející z příbuzných druhů. Přítomnost dvou rodičovských genomů (či jejich částí) v jedné buňce je však často doprovázena tzv. genomovým šokem, tedy rozsáhlými genetickými a epigenetickými změnami včetně nepravidelností v meiotickém párování chromozomů. To může vést ke sníženému přenosu vneseného chromozomu či chromozomů do následujících generací a zabraňuje to často širšímu využívání mezidruhových kříženců. Ukazuje se, že tento jev je zřejmě spojen s prostorovou organizací jádra a interakcí chromatinu a proteinů jaderného obalu během prvního meiotického dělení, při němž dochází k formování telomerického bouquetu. Hlavním cílem našeho výzkumného projektu a této dizertační práce bylo studium 3D organizace chromatinu v jádrech rostlinných kříženců, konkrétně v různých křížencích pšenice s žitem a také v adičních liniích pšenice nesoucích chromozomy ječmene. Dále nás zajímalo, zda dochází ke změnám této organizace během buněčného cyklu nebo mezi různými typy pletiv. Naše výsledky ukázaly, že pozice chromozomového ramene je ovlivňována jeho délkou, nicméně vykazuje vysokou stabilitu v rámci všech testovaných typů pletiv stejně jako v různých fázích buněčného cyklu. Druhým cílem této dizertační práce bylo studium organizace vneseného chromatinu v křížencích pšenice a žita, a to zvláště v kontextu pozice telomer a jejího významu pro řádný průběh meiózy. Při výzkumu mateřských pylových buněk linie nesoucí centrickou translokaci žitného a pšeničného chromozomu jsme pozorovali, že telomery žitného ramene mají ve srovnání s těmi pšeničnými vyšší pravděpodobnost nesprávného umístění v leptotenním bouquetu. V somatických buňkách téže linie jsme rovněž detekovali žitné telomery nacházející se mimo telomerický pól buněčného jádra. Vyslovili jsme hypotézu, že nesprávná pozice telomer v somatických a meiotických pletivech může představovat systémový problém přispívající k meiotické nestabilitě hybridních linií. Další analýza většího množství rostlinných linií podpořila naši hypotézu a naznačila možný význam připojení telomer k jadernému obalu pro stabilitu hybridních genomů. Pro potvrzení významu pozice telomer a jejich interakce s jaderným obalem bude nezbytné provedení dalších studií zaměřených na proteiny jaderného obalu a také na organizaci chromatinu v průběhu meiózy.

Abstract:

Wide hybridization and alien introgression represent useful breeding tools for the development of new crop cultivars with beneficial alleles from related species. However, the merging of two parental genomes into a single organism is frequently associated with so-called genomic shock; i.e., massive genetic and epigenetic changes in the hybrid genome, including irregularities in meiotic chromosome pairing. This may cause lower transmission of the introgressed chromosomes into successive generations and often hampers the wider use of interspecific hybrids. This phenomenon is probably associated with the nuclear architecture and interactions between chromatin and nuclear envelope proteins during the first meiotic division when the telomere bouquet is formed. The main aim of our research project and my thesis was to study 3D chromatin organization in nuclei of plant hybrids, including various wheat-rye hybrids and wheat-barley addition lines. Special attention was paid to changes during cell cycle progression and variations between different tissues. Our results demonstrated that the position of the chromosome arm is affected by its length; nevertheless, it appears to be highly stable in all tissue types tested, as well as during various stages of the cell cycle. The second aim of this thesis was to study the organization of introgressed chromatin in wheat-rye hybrids, especially in context of telomere positioning and its importance for the regular progression of meiosis. Investigating pollen mother cells of wheat-rye centric translocation line, we observed that compared to wheat chromosome arms, telomeres of the introgressed rye chromosome arms have a higher probability of improper positioning into the leptotene bouquet. Similarly, we detected rye telomeres located away from telomeric pole of the nucleus in somatic cells of the same line. We hypothesised that improper telomere positioning in both meiotic and somatic tissues may represent a systemic problem contributing to the meiotic instability of hybrid lines. Further analysis of a wider stock of plant material supported our hypothesis and suggested the possible importance of telomere attachment to nuclear envelope for hybrid genome stability. To prove the significance of telomere positioning and its interactions with the nuclear envelope, further studies focusing on nuclear envelope proteins as well as on chromatin organization during meiosis are required.

Keywords

3D-FISH, chromatin, genomová stabilita, kříženec, introgrese, jaderný obal, jádro, ječmen, leptotenní bouquet, LINC komplex, pšenice, telomera, žito, barley, genome stability, hybrid, introgression, leptotene bouquet, LINC complex, nuclear envelope, nucleus, rye, telomere, wheat

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. David Kopecký, Ph.D.
• Reader: RNDr. Terezie Mandáková, Ph.D., prof. Mgr. Miroslav Ovečka, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Genomics and Proteomics / Genomics and Proteomics