Study on gene expression in interspecific grass hybrids

Mgr. Štěpán STOČES

Doctoral thesis

Study on gene expression in intergeneric grass hybrids

Abstract:

Mezidruhoví kříženci jsou výsledkem křížení dvou různých biologických druhů. Po takovéto hybridizaci často dochází ke zdvojení hybridního genomu a vzniku allopolyploidního jedince. Allopolyploidie hrála důležitou úlohu v evoluci vyšších rostlin a velká řada druhů je allopolyploidní. Tito kříženci kombinují genetickou informaci z obou rodičů a obsahují velké množství duplikovaných genů. Chování těchto genů v novém prostředí jde jen těžko odhadovat, ale existuje několik možností. Jeden z duplikovaných genů může ztratit svoji funkci, tj. být kompletně nebo částečně umlčen či odstraněn na základě genetických nebo epigenetických změn. Další možností je, že jeden duplikovaný gen získá úplně novou funkci. V posledním případě může dojít k redukci úrovně genové exprese u obou genů a výsledné množství proteinů přepisovaných z těchto genů se sníží na původní hladinu jako v rodičovském genomu. Pro šlechtění elitních odrůd mezidruhových kříženců by bylo žádoucí pochopit celý proces týkající se změn genové exprese rodičovských alel během F1 a následujících generací. Identifikace a využití velkého množství molekulárních markerů se s příchodem nové generace sekvenačních strategií stala dostupnější a efektivnější. Díky vysokému rozlišení a dostatečné hloubce čtení se mimo jiné aplikace otevřely možnosti pro studium genové exprese. Nejrozšířenějšími molekulárními markery současnosti jsou jednonukleotidové polymorfismy (SNP), které se v genomu vyskytují v ohromujícím množství, jsou relativně pravidelně distribuované a relativně snadno detekovatelné. V této práci byla rekonstruována sekvence transkriptomu kostřavy luční a jílku mnohokvětého a identifikovány SNP markery, které umožňují odlišit homeologní geny z obou druhů. To umožnilo identifikaci rodičovských variant genů v reciprokých F1 a F2 hybridech kostřavy a jílku (Festulolium) a stanovení druhově-specifické genové exprese u těchto kříženců. Tato práce není jen uceleným studiem změn genové expresse u prvních generací mezidruhových kříženců, ale je rovněž důležitým zdrojem markerů využitelných při cíleném šlechtění hybridních trav. Navrhovaný postup je aplikovatelný na studium genomového složení a genové exprese dalších hybridních a allopolyploidních druhů.

Abstract:

Interspecific hybrids are results of crossing two different biological species, frequently followed by polyploidization. Such allopolyploids are common among vascular plants and have played a key role in the evolution of angiosperms. Their origin is always characterized by subsequent changes in gene-expression due to a combination of homoeologous genes coming from parental species. The fate of these duplicated genes may follow different evolutionary paths. They can lose their function by genetic or epigenetic changes (Non-functionalization), acquire a new function (Neofunctionalization), or reduce the capacity to the level of expression of ancestral gene (Subfunctionalization). In practical breeding, the knowledge on the evolution of parental-specific genes and their expression changes will be beneficial for the development of elite cultivars of interspecific hybrids. The advent of Next Generation Sequencing (NGS) enables the identification and utilization of a huge number of molecular markers and allows to study gene expression in resolution never achieved before. Single nucleotide polymorphisms (SNP) are the most abundant markers in the genome, relatively frequently distributed, easily identifiable and nowadays the most frequently used. In this study, the reference transcriptomes of Festuca pratensis and Lolium multiflorum have been reconstructed and thousands of SNPs distinguishing homoeologous genes have been identified. This enables to determine parental-specific gene expression in F1 and F2 hybrids based on the quantification of mapped reads to transcriptome references. The thesis is not only comprehensive study for further research, but also a source of highly valuable markers, which can be used in grass breeding.

Keywords

Mezidruhový kříženec, genová exprese, jílek mnohokvětý, kostřava luční, SNP, DArT, sekvenování nové generace (NGS), transcriptom

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 23. 7. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: RNDr. David Kopecký, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Biology / Botany