Transcriptomic analysis of barley (Hordeum vulgare L.) and wheat (Triticum aestivum L.): tool for crop improvement.

Mgr. Filip ZAVADIL KOKÁŠ

Doctoral thesis

Transcriptomic analysis of barley (Hordeum vulgare L.) and wheat (Triticum aestivum L.): tool for crop improvement.

The diferencial transcriptome analysis of barley with a higher resistance to the abiotic stress

Abstract:

The thesis is focused on differential transcriptomics analysis of barley (Hordeum vulgare) and wheat (Triticum aestivum), two economically important cereals. It is also described the development of a new bioinformatics software allowing the annotation of novel transcripts and the functional analysis of differentially expressed genes. The theoretical part deals with the description of the main technologies of RNA-sequencing, design of the RNA-sequencing experiment and down-stream bioinformatics analysis. The experimental part is divided into three chapters. The first chapter aimed to understand the differential transcriptomics of transgenic barley lines overexpressing the Arabidopsis cytokinin dehydrogenase 1 gene under the control of the mild root specific promotor of maize -glycosidase. The results showed transgenic lines are more tolerant to drought than the wild-type plants, mainly due to the alteration of their root architecture and a stronger lignification of root tissue. The second chapter is focused on the development of SATrans, new freely available software for the annotation of transcriptome and the functional analysis of differentially expressed genes. The software was developed with Perl and MySQL as programing languages and has been tested on a test data set. It provided a fast and robust functional annotation of novel sequences and performed advanced gene ontology analysis of the differentially expressed genes. The last chapter covered different approaches to analyze RNAseq data generated for four new inbred lines of hexaploid wheat with different root architecture. Three different assembly approaches (ab initio, de novo and combined) were used and evaluated for their ability to provide the best reference wheat transcriptome for downstream analyses. The combined approach, i.e. coupling ab initio and de novo transcriptome assemblies, was evaluated as the best tool to generate a root-specific reference transcriptome. Down-stream bioinformatics analyses were performed in order to highlight the genes whose differential expression might be related to various root architecture observed between for the four-wheat new inbred lines. The data showed that few biological processes were affected, including the transmembrane transport of the phytohormone auxin and the hydrolysis of its conjugates. Nevertheless, our hypothesis will have to be supported by qPCR analysis and strong physiological experiments.

Abstract:

Tato práce je zaměřena na diferenciální analýzu transkriptomu u ječmene (Hordeum vulgare) a pšenice (Triticum aestivum) jako dvou významných zemědělských plodin. Práce rovněž popisuje vývoj nového bioinformatického softwaru vyvíjeného za účelem zlepšení funkční anotace nových sekvencí a následné analýze diferenciálně exprimovaných genů poskytnutých v rámci transkriptomické studie. Teoretická část práce je soustředěna na popis současných technologii používaných pro RNA-sekvenování, design experimentu a následnou bioinformatickou analýzu s využitím rozličných bioinformatických nástrojů. Experimentální část práce je rozdělena na tři kapitoly. První kapitola se zabývá diferenciální analýzou transkriptomu u transgenních linii ječmene s nadprůměrně exprimovaným genem cytokinin dehydrogenázou 1 z Arabidopsis thaliana, pod kořenově specifickým promotorem -glykosidázy z kukuřice. Výsledky ukázaly transgenní linie jako více tolerantní vůči suchu, ve srovnání s rostlinami divokého typu, a to v důsledku odlišné architektury kořenového systému a silnější lignifikace kořenové tkáně. Druhá kapitola se zabývá vývojem a popisem volně dostupného programu SATrans, vytvořeném za účelem lepší a robustnější funkční anotace sekvencí, a rovněž pro analýzu diferenciálně exprimovaných genů. Program byl implementován programovacími jazyky Perl a MySQL, následně byl testován na datovém setu a srovnán s ostatním volně dostupnými programy. Program poskytuje rychlou a robustní funkční anotaci nových sekvencí a poskytuje pokročilou analýzu genové ontologie pro diferenciálně exprimované geny. Poslední kapitola praktické části se zabývá odlišnými přístupy pro výstavbu kořenově specifické reference za účelem mapování krátkých sekvencí získaných v průběhu sekvenačního experimentu. Na vstupní data (čtyři genotypy pšenice s odlišnou architekturou kořenového systému) byly aplikovány tři různé přístupy pro vytvoření reference (de novo přístup, ab initio přístup, kombinovaný přístup). Kombinovaný přístup byl na základě sledovaných charakteristik vyhodnocen jako nejlepší a výsledná reference byla použita pro následnou diferenciální analýzu transkriptomu mezi genotypy s odlišnou architekturou kořenového systému. Výsledky ukázaly několik ovlivněných biologických procesů, mezi které náleží zejména transmembránový transport auxinů a hydrolýza jejich konjugátů. Potvrzení výsledků získaných touto analýzou by ovšem mělo být provedeno s pomocí qPCR a kontrolovanými biologickými experimenty.

Keywords

transkriptomika, bioinformatika, vývoj softwaru, funkční anotace, ječmen, pšenice

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Petr Galuszka, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry