Analýza dynamiky a 3D organizace jaderného genomu u ječmene setého (Hordeum vulgare)

Mgr. Kateřina KADUCHOVÁ

Doctoral thesis

Analysis of dynamics and 3D organization of nuclear genome in barley (Hordeum vulgare)

Abstract:

The organization of the nuclear genome changes dynamically during the cell cycle. Primarily, it is defined by the cell and tissue types and organism developmental needs. In response to environmental conditions and stress stimuli, cells alter genome organization to adjust gene transcription levels, modify accessibility for DNA binding proteins, or to allow repair processes (reviewed in Schubert and Shaw, 2011, Rosa and Shaw, 2013, Dogan and Liu, 2018). The majority of knowledge about plant nuclear and cellular dynamics is based on the relatively small and repeat-poor genome of the model plant Arabidopsis thaliana (2n = 2x = 10; 119 Mbp/1C). However, there is noticeably less information about the dynamics of large plant genomes found in certain representatives with an extensive agronomic impact. Expanding the knowledge about how their genome organization changes could help to select cultivars adapted to changing climatic conditions. This thesis aims to shed light on the organization and dynamics of large plan genomes, by developing a series of stable translational fusion fluorescent marker lines of barley (Hordeum vulgare). Barley is a temperate cereal crop with a diploid genome (2n = 2x = 14; 4.88 Gbp/1C) organized in Rabl conformation with centromeres and telomeres positioned on the opposite nuclear poles. Thanks to its low number of large chromosomes, barley has become a favorable model for chromosome organization studies, enabling detailed exploration of their structure at a high-resolution level (Kwasniewska et al., 2018, Kubalova et al., 2023). In the thesis, series of barley translational fusion fluorescent marker lines (FMLs) for analysis of chromatin, nucleolus and centromeres were developed. After selection of stable transgenic plants, individual FMLs were crossed with previously developed microtubular line, to obtain multi-FMLs. Using these lines we characterized the progress of mitosis in barley root cells and uncovered its features typical for barley. Secondly, we developed the in vivo microscopy setup for time-lapse analysis of cells in growing cereal crop roots. Findings and resources acquired within this thesis will help the plant community to broaden the knowledge about the cereal crops genome organization dynamics and provide valuable material for future studies.

Abstract:

Organizace jaderného genomu se v průběhu buněčného cyklu dynamicky mění. Primárně je definována typem buňky, pletiva a vývojovými potřebami organismu. Ke změnám dochází primárně v reakci buněk na měnící se podmínky životního prostředí a stresové podněty, čímž dochází k úpravě úrovně transkripce genů, přístupnosti DNA pro vazbu specifických proteinů, nebo umožnění DNA opravných procesů (rozvedeno v Schubert and Shaw, 2011, Rosa and Shaw, 2013, Dogan and Liu, 2018). Většina znalostí o jaderné a buněčné dynamice rostlin je založena na modelové rostlině huseníčku rolním (Arabidopsis thaliana), majícím malý kompaktní genom s nízkým počtem repetitivních sekvencí (2n = 2x = 10; 119 Mbp/1C). Nicméně existuje jen omezené množství informací o dynamice velkých rostlinných genomů, které nalézáme u významné části rostlin s hospodářským významem. Rozšířením znalostí o tom, jak se mění organizace jejich genomu, by mohlo napomoci vyselektovat odrůdy lépe přizpůsobené změnám klimatických podmínek. Tato práce si dává za cíl porozumět organizaci a dynamice velkých rostlinných genomů díky vývoji sérií stabilních translačně fúzních fluorescenčních markerových linií ječmene setého (Hordeum vulgare). Ječmen je obilovina mírného podnebného pásma mající diploidní genom (2n = 2x = 14; 4,88 Gbp/1C) organizovaný v Rablově konformaci, v rámci které jsou centromery a telomery chromozomů lokalizovány na opačných jaderných pólech. Díky nízkému počtu velkých chromozomů se ječmen stal výhodným modelem pro studium organizace chromozomů, umožňujícím detailní analýzu jejich struktury ve vysokém rozlišení (Kwasniewska et al., 2018, Kubalova et al., 2023). V rámci práce byly nejprve vytvořeny jednotlivé translačně fúzní fluorescenční markerové linie (FMLs) ječmene pro analýzu chromatinu, jadérka a centromer. Po selekci stabilních transgenních rostlin byly jednotlivé FML sklíženy spolu s předešle vytvořenou mikrotubulární markerovou linií za vzniku multi-markerových linií (multi-FMLs). Pomocí těchto linií byla provedena analýza mitózy v kořenových buňkách ječmene a odhaleny její znaky typické pro ječmen. Následně byl v rámci práce vytvořen systém pro in vivo časosběrnou mikroskopickou analýzu buněk v rostoucích kořenech obilovin. Poznatky a zdroje získané v rámci této práce mohou pomoci vědecké rostlinné komunitě rozšířit znalosti o dynamice genomů obilovin, a poskytnou jedinečný materiál pro budoucí vědecké studie.

Keywords

ječmen, mitóza, organizace genomu, markerová linie, konfokální in vivo mikroskopie, chromozóm

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 11. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Aleš Pečinka, Ph.D., doc. Mgr. Aleš Pečinka, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Molecular and Cell Biology / Molecular and Cell Biology