Evoluce karyotypu banánovníku (Musa spp.)

Mgr. Denisa ŠIMONÍKOVÁ

Doctoral thesis

Karyotype evolution in bananas (Musa spp.)

Abstract:

Ještě nedávno byly cytogenetické studie u mnoha rostlinných druhů omezeny dostupností vhodných DNA sond. Pro analýzu struktury genomů/vybraných chromozomů se využívala metoda zvaná malování chromozomů (chromosome painting), založená na značení BAC klonů specifických pro jednotlivé chromozomy. Tuto metodu malování chromozomů bylo ale možné použít pouze u rostlin s malými genomy a nízkým obsahem repetitivních sekvencí, jejichž celogenomová sekvence byla získána sekvenováním jednotlivých BAC klonů. Nicméně pokrok v sekvenování nové generace umožnil u rostlin rozvoj tzv. "oligo painting" metody využívající celogenomové sekvence pro identifikaci krátkých (45 bází), chromozomově specifických oligomerů. Fluorescenční in situ hybridizace (FISH) s těmito fluorescenčně značenými oligomery unikátními pro jednotlivé chromozomy/oblasti chromozomů, tak umožnila mimo jiné identifikaci jednotlivých chromozomů a velkých strukturních změn - translokací, srovnávací analýzu a studium evoluce karyotypů u mnoha dalších rostlinných druhů. Disertační práce si klade za cíl přispět k objasnění struktury chromozomů u vybraných druhů a jedlých kultivarů banánovníku z rodu Musa, a také jejich blízce příbuzných rodů Musella a Ensete s využitím nedávno vyvinuté metodiky pro malování chromozomů ("oligo painting FISH"). Poprvé tak bylo pomocí sond specifických pro jednotlivé chromozomy nebo jejich ramena identifikováno všech 11 chromozomů, ke kterým byly ukotveny DNA pseudomolekuly referenční genomové sekvence druhu M. acuminata ssp. malaccensis 'DH Pahang' (A genom). Oligo malovací sondy navržené pro M. acuminata ssp. malaccensis byly úspěšně hybridizovány i na blízce příbuzné druhy M. balbisiana (B genom) a M. schizocarpa (S genom), což poukázalo na jejich možné využití pro analýzu struktury chromozomů i u dalších zástupců banánovníku (Musa spp.). Druhá část práce byla zaměřena na využití těchto oligo malovacích sond pro identifikaci velkých chromozomálních přestaveb (translokací) u dvaceti zástupců ekonomicky významných diploidních a triploidních jedlých typů banánovníku z rodu Musa a druhů, resp. poddruhů, které se pravděpodobně podílely na jejich vzniku. Mezi jednotlivými druhy, resp. poddruhy i odrůdami byly zjištěny velké rozdíly v genomové struktuře na úrovni chromozomů. Specifické chromozomové translokace, ke kterým došlo v průběhu evoluce, umožnily identifikaci pravděpodobných předků jedlých typů banánovníku. U vybraných testovaných položek byl potvrzen jejich hybridní charakter, což poukazuje na možnou příčinu jejich snížené fertility. Tyto poznatky o detailní struktuře jednotlivých chromozomů jsou cennou informací pro šlechtitele při výběru klonů vhodných pro další křížení. Sondy specifické pro jednotlivé chromozomy nebo chromozomální ramena byly následně využity pro studium struktury chromozomů i u vybraných zástupců reprezentujících čeleď banánovníkovité (Musaceae), lišících se kromě velikosti genomu i základním chromozomovým číslem. Cílem bylo objasnění organizace genomu na úrovni chromozomů v průběhu evoluce a vzniku druhů v čeledi Musaceae. V neposlední řadě byly oligo malovací sondy navrženy pro studium struktury chromozomů i u dalších rostlinných druhů, např. rosičky útlé (Digitaria exilis), a rodů lupina (Lupinus spp.) a silenka (Silene spp.).

Abstract:

Until recently, cytogenetic studies in many plant species were hindered by limited availability of robust DNA probes. As the only possibility for the analysis of whole genomes or individual chromosomes, chromosome painting method based on labeling of pools of chromosome-specific BAC (bacterial artificial chromosome) clones was used. Unfortunately, this technique was applicable only in plants with small genomes and low number of repetitive sequences, and whose whole genome sequence was obtained by BAC by BAC sequencing strategy. However, the progress in next generation sequencing technologies enabled the development of oligo painting technique, which is based on the identification of short (45-nt long), chromosome-specific oligos from a reference genome sequence of selected species. Fluorescence in situ hybridization (FISH) with these fluorescently labeled oligos allowed the identification of individual chromosomes and large chromosomal rearrangements - translocations, comparative karyotype analysis and evolutionary studies in various plant species. The Ph.D. thesis aims to provide comparative analysis of chromosome structure in selected banana species and edible banana cultivars from genus Musa, and their closely related genera Musella and Ensete using recently developed oligo painting FISH technique. Chromosome/chromosome-arm specific oligo painting probes developed using the reference genome sequence of M. acuminata ssp. malaccensis 'DH Pahang' (A genome) were used for unambiguous identification of individual chromosomes and anchoring of the pseudomolecules to chromosomes in situ. Further, the cross-hybridization of the oligo painting probes specific to M. acuminata ssp. malaccensis to closely related genomes of M. balbisiana (B genome) and M. schizocarpa (S genome) proved the use of the probes for comparative karyotyping in banana (Musa spp.). In the second part of the work, available chromosome/chromosome-arm specific oligo painting probes were used for the identification of large structural chromosome changes (translocations) in a set of twenty economically important diploid and triploid edible banana cultivars from the genus Musa and in species and subspecies, which were probably involved in their origin. Large differences in chromosome structure between individual species and subspecies of Musa were detected. Specific translocations, which occurred during the evolution of Musa, enabled the identification of putative progenitors of edible banana clones. Observed structural chromosome heterozygosity supported the hybrid origin of selected accessions and pointed to possible reason for their low fertility. These findings will be a valuable asset for banana breeders in selecting parents for further crosses. FISH technique with previously developed chromosome-arm specific oligo painting probes was also applied to study chromosome structure of phylogenetically distinct species to M. acuminata within whole Musaceae family, differing in genome size and basic chromosome number. This part of the work aims to elucidate the genome organization at chromosomal level during the evolution and origin of species of this family. Finally, oligo painting probes were designed for the analysis of chromosome structures in other plant species, e. g. in fonio millet (Digitaria exilis), and genera Lupinus spp. and Silene spp.

Keywords

Musa, oligo painting FISH, chromozomové translokace, evoluce karyotypu

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 6. 2021

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Eva Hřibová, Ph.D., Mgr. Eva Hřibová, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Botany