Charakterizace a exprese genů kodujících ribozomální RNA u allopolydních růží (Rosa sekce Caninae)

Mgr. Lucie Crhák Khaitová, Ph.D.

Doctoral thesis

Characterization and expression of ribosomal RNA genes in allopolyploid roses (Rosa section Caninae)

Anotácia:

Asymetrická meióza je unikátním jevem pozorovaným u pentaploidních růží šípkových (Rosa sekce Caninae). Během tohoto procesu je jeden bazální genom (x=7), skládající se ze segregujících bivalentů, přenesen do pylu, kdežto zbývající čtyři genomy (4x=28, jeden genom pochází ze segregaci bivalentů a tři genomy z nerekombinujících univalentů) jsou přeneseny do vajíčka. Chromozomy ze všech pěti genomů nesou 18S-5.8S-26S ribozomální DNA (rDNA). Tato práce je zaměřena na charakterizaci, distribuci a expresi jednotlivých vnitřních přepisovaných mezerníků lokusů rDNA (internal transcribed spacer 1, ITS1) u pěti druhů pentaploidních růží (Rosa canina, R. rubiginosa, R. dumalis, R. sherardii, R. caesia) a jednoho druhu tetraploidní růže (R. mollis). Také byla studována dědičnost rDNA u hexaploidních hybridů připravených křížením mateřské pentaploidní R. rubiginosa (přenáší čtyři genomy důsledkem asymetrické meiózy) a otcovské tetraploidní růže R. hybrida 'Andre Brichet' (přenáší dva genomy důsledkem normální meiózy). Sekvencováním ITS1 jsme zjistili že pentaploidní růže nesou pět hlavních rodin rDNA (α, β, γ, δ a ε). U tetraploidní R. mollis se vyskytuje navíc jedna rodina (ω). Analýza exprese genových rodin rRNA ukázala že rodina β se exprimuje nezávisle na druhu. Exprese ostatních rodin rDNA kolísá a některé, například γ a ω, jsou umlčeny. Nezávislým křížením byly připraveny dvě hybridní linie. U mateřské R. rubiginosa jsme detekovali dvě hlavní (β a γ) a jednu vedlejší (δ) rodinu rDNA, oproti tomu otcovská R. hybrida ‘Andre Brichet’ nesla dvě hlavní rodiny (η a θ). Analýza metodou FISH ukázala pokles počtu lokusů pro 35S rDNA z očekávaných šesti na čtyři až pět. U obou hybridních linií jsme sledovali snížení počtu rodin rDNA pocházející z obou rodičovských rostlin. U linie 15 došlo k ztrátě otcovské rodiny θ. U všech hybridů byl poměr β : γ vychýlen na stranu rodiny β. U tetraploidní R. mollis byla navíc k pěti známým rodinám rDNA objevena nová, pro tuto rostlinu specifická rodina ω. Rodina β se přednostně vyskytuje na bivalentních chromozomech, které jsou přenášeny z pylu a exprimuje se u všech růží. Genové rodiny rRNA vyskytující se na univalentních chromozomech jsou v některých případech umlčeny. Hybridizace mezi jednotlivými sekcemi pentaploidních a tetraploidních růží je spojena s redukcí počtu genových rodin rRNA, pravděpodobně kvůli ztrátě lokusů či meiotické rekombinaci. Rodina β pocházející z R. rubiginosa (mateřská rostlina) je nejvíce rozšířena u všech hybridů. Může to být způsobeno jejím výskytem na bivalentních genomech. Na druhou stranu, dochází ke ztrátě rodiny γ v důsledku možné nepravidelnosti přenosu na univalentních chromozomech. Tato studie znázorňuje výhodnost použití hybridních linií pro funkční identifikaci chromozomů u druhů se zvláštní meiózou.

Abstract:

Odd or asymmetric meiosis is a unique process found in pentaploid Rosa section Caninae (2n=5x=35). During this process, one basic genome (x=7) formed from segregating bivalents is transmitted to the pollen, and the remaining four genomes (4x=28, one genome is derived from the segregation of the bivalents and three sets from the non-recombining univalents) are transmitted by the egg cell. Chromosomes from all five genomes carry 18S-5.8S-26S ribosomal DNA (rDNA). In this work, we focused on the characterization, distribution and expression of polymorphisms within the internal transcribed spacer1 (ITS1) in five pentaploid (Rosa canina, R. rubiginosa, R. dumalis, R. sherardii, R. caesia) and one tetraploid (R. mollis) dogroses. In addition, we studied the inheritance of rDNA families in hexaploid hybrids obtained from an intersectional cross between pentaploid dogrose R. rubiginosa as a seed parent (transmits four genomes due to asymmetric meiosis) and tetraploid garden rose R. hybrida 'Andre Brichet' as a pollen parent (transmits two genomes as in normal symmetric meiosis). Sequencing of the ITS1 region in pentaploid dogroses showed that they carried five major rRNA gene families (α, β, γ, δ and ε), whereas tetraploid R. mollis carried an additional mollis-specific rDNA family referred to as ω. The expression patterns of rRNA gene families showed that β family was always expressed irrespective to species. However, other gene families showed variation in expression and some families (γ and ω) were silenced. In the intersectional cross, the maternal R. rubiginosa carried two major (β and γ) and one minor (δ) ITS families, whereas R. hybrida ‘Andre Brichet’ carried two major families (η and θ) that were not detected in any of the studied species. Two hybrid lines (15, 37) derived from independent crosses were analysed (by FISH) and showed a reduction of 35S rDNA loci (four and five loci instead of expected six) while maintaining the hexaploid karyotype. In both hybrid lines, there was reduction in rDNA families transmitted from both parental plants. However, in line 15 the paternal θ family was lost. In all individuals, the ratio between β and γ families was skewed towards the β family. Results revealed that in addition to the five major rRNA gene families that were found previously in pentaploid roses, a new tetraploid mollis-specific (ω) family was identified. The β rDNA family seems to occur preferentially on bivalent-forming chromosomes that are transmitted from the pollen and dominantly expresses in all dogrose species. Families carried on univalent chromosomes are, in some cases, silenced. The intersectional hybridization of pentaploid and tetraploid roses was associated with reduction of rRNA gene families, possibly due to locus loss or meiotic recombination. The β family of the R. rubiginosa seed parent predominated in generations of hybrids, suggesting its occurrence on chromosomes forming bivalents in meiosis. By contrast, the γ family tends to be lost suggesting its irregular transmission and occurrence on a univalent chromosome. Our study demonstrates usefulness of hybrid lines for functional identification of chromosomes in species with irregular meiotic systems.

Keywords

Polyploidy, ribosomal DNA, Rosa sect. Caninae, expression, concerted evolution

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 15. 8. 2011

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 10. 11. 2011
• Vedúci: RNDr. Aleš Kovařík, CSc.
• Oponent: doc. RNDr. Jana Řepková, CSc., Dr. Judith Fehrer

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Biology (4-years) / General and Molecular Genetics