Interactions between nuclear and cytoplasmic genome in auto- and allopolyploids

Bc. Denisa KUBÍKOVÁ

Master's thesis

Interactions between nuclear and cytoplasmatic genome in auto- and allopolyploids

Abstract:

Cytonuclear interactions are defined as interactions between the nuclear and cytoplasmic genomes, which result in the formation of several essential protein complexes, such as RuBisCo. However, whole genome duplication (WGD) can potentially lead to significant challenges for the maintenance of cytonuclear stoichiometry. The objective of this diploma thesis was to evaluate the changes that occur following the WGD in intracellular morphology, the number of chloroplast genomes, and the change in expression of a set of genes involved in cytonuclear interactions. The leaf mesophyll cells were observed in a confocal microscope and subsequently evaluated in IMARIS software. The evaluated traits were cell volume, nucleus volume, and chloroplast number and volume. The findings demonstrated that the doubling of the nuclear volume is accompanied by an increase in both the volume of the cell and the nucleus, accompanied by an increase in the number of chloroplasts, which is further pronounced in subsequent generations. The potential increase in the number of chloroplast genomes was estimated using digital droplet PCR (ddPCR). There was a significant rise in the number of chloroplast genomes, and this, together with the increase in the number of chloroplasts, effectively compensated for the doubling of the nuclear genome. Furthermore, alterations in nuclear and organelle gene expression were negligible in pure lines. However, there was a significant down- regulation of nuclear genes in established polyploids and a significant up-regulation of chloroplast genes in hybrids. The results of this work will contribute to our knowledge of how polyploidy affects plant systems. This topic is of interest not only the basic researchers but also to breeders to make informed choices when using polyploidization in the crop improvement.

Abstract:

Cytonukleární interakce jsou definovány jako interakce mezi jaderným acytoplazmatickým genomem, které vedou k tvorbě několika základních proteinových komplexů, jako je RuBisCo. Duplikace celého genomu (WGD) však může potenciálně vést k významným problémům při udržování cytojaderné stechiometrie. Cílem této diplomové práce bylo zhodnotit změny, kekterým dochází po WGD v intracelulární morfologii, počtu chloroplastových genomů a změně exprese souboru genů zapojených do cytojaderných interakcí. Buňky mezofylu listů byly pozorovány v konfokálním mikroskopu a následně vyhodnoceny v softwaru IMARIS. Hodnocenými znaky byly objem buňky, objem jádra a počet a objem chloroplastů. Výsledky ukázaly, že zdvojnásobení jaderného genomu je doprovázeno nárůstem objemu buňky i jádra a nárůstem počtu chloroplastů, který se v dalších generacích dále zvětšuje. Potenciální nárůst počtu chloroplastových genomů byl vyhodnocen pomocí droplet digital PCR (ddPCR). Došlo k výraznému nárůstu počtu chloroplastových genomů, který spolu s nárůstem počtu chloroplastů účinně kompenzoval zdvojnásobení jaderného genomu. Změny v expresi jaderných a organelových genů byly ve většině případů zanedbatelné. U zavedených polyploidů však došlo k výraznému snížení transkripce jaderných genů a u hybridů k výraznému zvýšení transkripce chloroplastových genů. Výsledky této práce přispějí k našim znalostem o vlivu polyploidie na rostlinné systémy. Toto téma je zajímavé nejen pro základní výzkumníky, ale také pro šlechtitele, aby se mohli informovaně rozhodovat při využívání polyploidizace při zlepšování plodin.

Keywords

autopolyploidie, allopolyploidie, cytonukleární interakce, množství kopií genů

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Jana Szecówka, PhD.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Master programme / field:
Biology / Experimental Biology