Epigenetic regulation of ribosomal RNA genes expression in synthetic and natural allopolyploids

Mgr. Martina Nešpor Dadejová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cílem této disertační práce bylo zjistit, jaký je vzájemný vztah mezi dvěma aspekty biologie rDNA, a to homogenizací rDNA jednotek a jejich epigenetickým umlčením. Dědičnost a expresní profily rDNA jsme zkoumali u tří přirozených allopolyploidů rodu Nicotiana (současné druhy nejbližší původním rodičovským druhům jsou uvedeny v závorkách): N. rustica (N. paniculata x N. undulata), N. tabacum (N. sylvestris x N. tomentosiformis) a N. arentsii (N. undulata x N. wigandioides), a také u syntetických F1 hybridů i allopolyploidů, které byly připraveny křížením diploidních předků. Genetické změny byly nalezeny u všech sledovaných přirozených allotetraploidů. U těchto druhů rozsah interlokusové homogenizace rDNA klesal v řadě N. arentsii > N. tabacum > N. rustica. Bylo také zjištěno, že u N. rustica nastává úplné a u N. tabacum částečné umlčení rDNA jednotek pocházejících z jednoho rodiče. U N. arentsii byly v důsledku homogenizace eliminovány všechny jednotky jednoho z rodičů, a proto nemohlo být umlčení studováno. Námi připravené syntetické diploidní i allotetraploidní hybridy nevykazovaly genetické změny, zato epigenetické změny byly poměrně časté. Hybridy N. paniculata x N. undulata vykazovaly silné transkripční umlčení P- rDNA jednotek, které se objevilo již v F1 generaci. Odlišná situace nastala u hybridů N. undulata x N. wigandioides a N. sylvestris x N. tomentosiformis, kde byly exprimovány jednotky obou rodičů. U allopolyploidních druhů tedy epigenetické změny v rDNA předchází změnám ve struktuře, organizaci a pozici na chromozomech. Vývojová stabilita umlčení rDNA byla zkoumána u hybridů PxU a UxP. Bylo zjištěno, že v rychle se dělících tkáních dochází k částečné expresi jednotek původem z N. paniculata. Tento výsledek koresponduje s celkově vyšší transkripcí rDNA v těchto tkáních. V této práci předkládáme teorii, že epigenetický obraz, který se formuje již v raném vývoji allopolyploidního jádra je pravděpodobně rozhodující v tom, zda budou rDNA jednotky později citlivé či rezistentní k procesům homogenizace. Přetrvávání původních rodičovských jednotek v allopolyploidních genomech koreluje s jejich transkripční inaktivitou a pravděpodobnou heterochromatinizací, naopak lokusy transkripčně aktivní mohou být k intergenomové homogenizaci mnohem náchylnější.

Abstract:

This thesis was focused on establishing of relationships between two aspects of rDNA biology: epigenetic silencing and intergenomic homogenization of rDNA repeats. We examined rDNA inheritance and expression patterns in three natural Nicotiana allopolyploids (closest living descendents of diploid parents are in the brackets): N. rustica (N. paniculata x N. undulata), N. tabacum (N. sylvestris x N. tomentosiformis) and N. arentsii (N. undulata x N. wigandioides); and synthetic F1 hybrids and allopolyploids prepared from the diploid progenitors. The extent of interlocus rDNA homogenization decreased in the direction: N. arentsii > N. tabacum > N. rustica. In these species we found evidence for complete (N. rustica) and partial silencing of parental rDNA (N. tabacum). In N. arentsii homogenization has eliminated all units of paternal parent, and therefore silencing cannot be studied. In the synthetic hybrids no genetic changes occured, while epigentic changes were relatively frequent. N. paniculata x N. undulata synthetic hybrids showed strong uniparental transcriptional silencing of rDNA triggered already in F1, while in N. undulata x N. wigandioides and N. sylvestris x N. tomentosiformis both parental sets were expressed. Developmental stability of rDNA expression was studied in PxU and UxP hybrids. In rapidly dividing plant tissues, such as root tips or callus cultures, a partial expression of rDNA corresponding with increased transcription occured. We postulate the hypothesis that the epigenetic patterns of expression established early in allopolyploid nucleus formation may render units susceptible or resistant to homogenization over longer time-frames. The persistence of parental rDNA units in allopolyploid genomes associates with their transcription inactivity and likely heterochromatization. On the other hand transcriptionally active loci could make the rDNA units more vulnerable to intergenomic homogenization, perhaps within nucleolous organizer regions.

Keywords

polyploidy, rDNA inheritance, epigenetic silencing

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 6. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 15. 9. 2009
• Supervisor: RNDr. Aleš Kovařík, CSc.
• Reader: doc. Mgr. Martin Lysák, Ph.D., RNDr. Helena Štorchová, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Genetics