Plastome, repeatome and kinetochore protein evolution in land plants

Sheng Zuo, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Předmetem této práce je studium struktury a evoluce rostlinného genomu pomocí celogenomových sekvenačních dat a fylogenomických přístupů. Autor se během svého doktorandského studia podílel na pěti odborných publikacích, které tvoří jádro dizertační práce. První část práce je zaměřena na malou rostlinnou čeleď mokřadkovité (Limnanthaceae) z řádu brukvotvaré (Brassicales), která má pouze dva rody a osm druhů. Pomocí sekvenačních dat s nízkým pokrytím jsme zrekonstruovali fylogenetické vztahy a charakterizovali repetitivní sekvence těchto genomů. Trojrozměrná fluorescenční in situ hybridizace prokázala, že pět chromozomových párů v interfázních jádrech druhů rodu Limnanthes zaujímá Rablovu polarizovanou konfiguraci. Genomy čeledi Limnanthaceae byly zkoumány jako potenciální modelové systémy. Druhá část práce se zabývá diploidizací genomu v tribu Microlepidieae (Brassicaceae), který obsahuje přibližně 17 rodů a 60 druhů vyskytující se v Austrálii a na Novém Zélandu. Tribus Microlepidieae vykazuje rozdílné tempo diploidizace genomu a rozsáhlou morfologickou konvergenci. Analýzou fylogenetických vztahů a morfologických znaků v tomto tribu jsme poskytli fylogenomický důkaz, že rozdílné tempo post-polyploidní diploidizace je spojeno s intratribovou kladogenezí, morfologickou disparitou a změnou životních forem. Také jsme ukázali, že rychlejší diploidizace genomu je pozitivně korelovaná s evolucí chloroplastových genů. Na základě nových fylogenomických poznatků, byla revidována taxonomie rodů Arabidella, Cuphonotus a Lemphoria. Třetí část je věnována evoluční historii proteinu KINETOCHORE NULL2 (KNL2) a jeho funkci při depozici CENH3 (centromerická varianta histonu H3). Ukázali jsme, že gen KNL2 prošel třemi nezávislými dávnými duplikacemi, a to u kapradin, trav a dvouděložných rostlin. Neklasifikované geny KNL2 mohou být rozděleny do dvou kladů: αKNL2 a βKNL2 u dvouděložných rostlin a γKNL2 a δKNL2 u trav. Potvrzená centromerická lokalizace βKNL2 a mutační analýza naznačují, že se protein účastní depozice nového CENH3 do centromery, podobně jako αKNL2. Navíc jsme zjistili, že mutant KNL2 by mohl být využit k indukci haploidních rostlin. Nově identifikovaný βKNL2 se tak může stát nástrojem pro získání haploidů u huseníčku i zemědělských plodin.

Abstract:

The subject of this thesis is the study of the plant genome structure and evolution using whole genome sequencing data and phylogenomic approaches. The author’s doctoral studies resulted in five publications that form the thesis framework. The first part addresses the knowledge gap in the meadowfoam family (Limnanthaceae), one of the small families in the order Brassicales, which harbors only two genera and eight species. Using low coverage sequencing data, we reconstructed phylogenetic relationships and characterized the repeatomes of Limnanthaceae genomes. A three-dimensional fluorescence in situ hybridization analysis demonstrated that the five chromosome pairs in interphase nuclei of Limnanthes species adopt the Rabl-like configuration, a special interphase chromosome arrangement. We examined the Limnanthaceae genomes as a potential model system for 3D genome organization. The second part focuses on the genome diploidization in the crucifer tribe Microlepidieae (Brassicaceae), which contains c. 17 genera and 60 species endemic to Australia and New Zealand. The tribe Microlepidieae exhibits differently paced genome diploidization and extensive morphological convergence. By analyzing phylogenetic relationships and morphological characters in this tribe, we provided clear phylogenomic evidence that differently paced post-polyploid diploidization was associated with intra-tribal cladogenesis, morphological disparity, and life-form transitions. We also showed that faster genome diploidization is positively correlated with the evolution of chloroplast genes. The taxonomic limits of Arabidella, Cuphonotus, and Lemphoria were revisited based on phylogenomic findings. The third part focuses on the evolutionary history of KINETOCHORE NULL2 (KNL2) protein and its function in CENH3 (centromeric histone H3 variant) loading. We showed that the KNL2 gene underwent three independent ancient duplications in ferns, grasses, and eudicots. The unclassified KNL2 genes could be divided into two clades: αKNL2 and βKNL2 in eudicots, and γKNL2 and δKNL2 in grasses. The confirmed centromeric localization of βKNL2 and mutant analysis suggested that the protein participates in the loading of new CENH3 into the centromere, similarly to αKNL2. Moreover, we reported that a KNL2 mutant could be used as a haploid inducer. Thus, the newly identified βKNL2 may become the subject of manipulations to obtain haploids in Arabidopsis thaliana and crop species.

Keywords

Chloroplastová DNA, Evoluce, Kinetochor, KNL2, Fylogenomika, Rostlinný genom, Polyploidie, Repetitivní DNA, Chloroplast DNA, Evolution, Kinetochore, Phylogenomics, Plant genome, Polyploidy, Repeatome

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 10. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 6. 12. 2022
• Supervisor: prof. Mgr. Martin Lysák, Ph.D.
• Reader: RNDr. Roman Hobza, Ph.D., RNDr. Petr Nguyen, Ph.D., Prof. Ian Henderson, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Life Sciences