Occurrence and evolution of B chromosomes in genus Sorghum

Mgr. Martina BEDNÁŘOVÁ

Doctoral thesis

Occurrence and evolution of B chromosomes in the genus Sorghum

Abstract:

This work is focused on B chromosomes (Bs) in the genus Sorghum. In this genus, Bs have been reported in five species. Since their first discovery in the first half of the 20th century, there has not been any significant advance in our knowledge of them. The available literature on this topic in Sorghum is limited to only a few cytogenetic studies and there are no molecular data whatsoever. The aim of this work was to expand our knowledge about Bs in Sorghum in the molecular field. The first goal was focused on the development of specific markers for B chromosome of S. purpureosericeum. For this purpose, haploid pollen nuclei from B-positive and B-negative plants were isolated using flow-cytometry. Extracted nuclear DNA was used for the preparation of sequencing libraries which were subjected to Illumina sequencing. Based on the raw data, a repeat analysis was performed using RepeatExplorer, which revealed nine putative B-specific clusters. These clusters were used to design primers whose B-specificity was verified in PCR. The second goal was to clarify phylogenetic relationships within the genus with respect to the occurrence of B chromosomes. Therefore, a phylogenetic reconstruction of 21 Sorghum species represented by 58 samples involving internal transcribed spacers (ITS1 and ITS2) and two chloroplast intergenic spacers (trnL-trnF and trnH-psbA) as phylogenetic markers was performed. For the reconstruction, BioNJ and PhyML method was applied. Based on the outcome of the analysis, the feasible scenarios of B chromosome origin in this genus were discussed.

Abstract:

Tato práce je zaměřena na B chromozomy v rodu Sorghum (čirok). Přestože přítomnost B chromozomů byla popsána u pěti druhů čiroku již v minulém století, od doby jejich objevu nedošlo k významnému posunu v jejich výzkumu. Dostupná literatura na toto téma je omezena pouze na několik cytogenetických studií a molekulární studie dosud publikovány nebyly. Cílem této práce bylo rozšířit naše poznatky o B chromozomech v rodu Sorghum především na molekulární úrovni. Prvním cílem byl vývoj markerů specifických pro B chromozom S. purpureosericeum. Za tímto účelem byla pomocí průtokové cytometrie izolována haploidní pylová jádra B-pozitivních a B-negativních rostlin S. purpureosericeum. Z jejich DNA byly připraveny sekvenační knihovny, které byly osekvenovány na platformě Illumina. Na základě získaných dat byla provedena analýza repetic pomocí nástroje RepeatExplorer. Tato analýza odhalila devět sekvenčních klastrů potenciálně specifických pro B chromozom, které byly dále použity pro navržení primerů, jejichž specifita byla ověřena pomocí PCR. Druhým cílem práce bylo objasnění fylogenetických vztahů mezi jednotlivými druhy čiroku, a to především s ohledem na výskyt B chromozomů. Do fylogenetické analýzy bylo zahrnuto celkem 21 druhů čiroku, které byly zastoupeny 58 vzorky. Jako fylogenetické markery byly použity vnitřní transkribované mezerníky (ITS1 a ITS2) a dva chloroplastové mezigenové mezerníky (trnL-trnF a trnH-psbA). Na základě fylogenetického stromu, který byl vytvořen pomocí metody BioNJ and PhyML, byly diskutovány možné scénáře vzniku B chromozomu v rodu Sorghum.

Keywords

B chromozomy, Sorghum, fylogenetická analýza, sekvenování, evoluce

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 4. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Jan Bartoš, Ph.D., Mgr. Jan Bartoš, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Botany