Charakterizace a evoluce klíčových genů pro fixaci dusíku u jetelovin

Mgr. David Vlk, Ph.D.

Doctoral thesis

Characterization and evolution of key genes conferring atmospheric nitrogen fixation in clovers

Abstract:

Biologická fixace dusíku, nejčastěji myšlená v kontextu se symbiózou leguminóz a hlízkových bakterií, je klíčovou složkou koloběhu dusíku v přírodě. Navzdory jejímu potenciálu ve šlechtění rostlin však stále chybí dostatek informací o regulaci stovek genů spojených s nodulací a fixací dusíku samotné. V této práci byly porovnány transkriptomy hlízek genotypů jetele lučního (Trifolium pratense L.) lišících se efekti-vitou fixace dusíku a bylo zjištěno 491 diferenciálně exprimovaných genů mezi těmi-to skupinami. Anotace genů exprimovaných v hlízkách navíc odhalila více než 800 genů, jejichž funkce nebyla dosud experimentálně potvrzena. V transkriptomu byly dále identifikovány a in silico přístupy potvrzeny čtyři tzv. nodule specific cysteine-rich peptidy. Dle následné analýzy duplikace genů mezi diferenciálně exprimovaný-mi geny a všemi geny detekovanými v hlízkách bylo zjištěno nenáhodné zastoupení jednotlivých skupin genů rozdělených podle typu duplikace. Výsledky získané v této práci rozšířily znalosti o transkriptomu hlízek u T. pratense především ve vztahu k efektivitě fixace dusíku a tím naznačily směr jejich využití ve šlechtění.

Abstract:

Biological nitrogen fixation, most often thought of in the context of the symbiosis of leguminosae and rhizobial bacteria, is a key component of the nitrogen cycle in na-ture. However, despite its potential in plant breeding, there is still a lack of informa-tion on the regulation of the hundreds of genes associated with nodulation and nit-rogen fixation itself. In this study, the nodule transcriptomes of red clover genotypes (Trifolium pratense L.) differing in nitrogen fixation efficiency were compared and 491 differentially expressed genes were identified between these groups. In additi-on, annotation of genes expressed in nodules revealed more than 800 genes that have not yet been experimentally confirmed. Furthermore, four nodule-specific cysteine-rich peptides were identified in the transcriptome and confirmed by in silico approaches. According to a subsequent gene duplication analysis, a non-random distribution of gene groups, separated by duplication type, was then found between differentially expressed genes and all genes detected in nodules. The results obta-ined in this work have increased the knowledge of the nodule transcriptome in T. pratense, especially in relation to nitrogen fixation efficiency.

Keywords

čeleď Fabaceae, jetel, fixace dusíku, RNA sekvenování, diferenciální exprese genů, duplikace genů, family Fabaceae, clover, nitrogen fixation, RNA sequencing, differential gene expression, gene duplication

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 31. 5. 2024
• Supervisor: prof. RNDr. Jana Řepková, CSc.
• Reader: prof. Ing. Petr Smýkal, Ph.D., doc. Mgr. Miroslav Baránek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Molecular and Cell Biology and Genetics / Molecular and Cell Biology and Genetics