Velikost genomu, genomický GC obsah a jejich vztah k fenotypovým znakům mechorostů

Bc. Michaela Burešová

Master's thesis

Genome size, genomic GC content and their effect on the mosses phenotype

Abstract:

V práci byl studován vztah genomických a fenotypových znaků u mechorostů. Z genomických parametrů byla zkoumána velikost genomu a obsah GC bází, z fenotypových znaků pak plocha epidermální buňky, velikost spor, šířka a délka lístků, délka lodyžky, délka štětu a délka tobolky; kromě toho byl sledován i počet chromosomů. Vztah velikosti genomu k fenotypovým znakům byl dosud studován především u semenných rostlin, kde byla zjištěna pozitivní korelace jen se znaky na buněčné úrovni. Na vyšší fenotypové škále se ji ale prokázat nepodařilo, což může souviset s vyšší strukturní komplexitou semenných rostlin. U strukturně jednodušších mechorostů bychom však takovou korelaci mohli nalézt i na vyšší fenotypové škále. Údaje o velikosti genomu pro 107 druhů mechorostů byly získány z nepubliko-vaných výsledků měření v Laboratoři průtokové cytometrie MU, dalších 181 údajů bylo doplněno z Plant DNA C-values Database. Z literatury byly excerpovány hodnoty anatomicko-morfologických znaků a počty chromosomů. Vztahy genomických a fenotypových znaků byly testovány komparativními fylogenetickými analýzami. Velikost genomu je u mechorostů nižší a méně variabilní než u ostatních linií vyšších rostlin. Játrovky mají genomy větší než mechy. Bylo prokázáno, že velikost genomu pozitivně koreluje s plochou epidermální buňky, velikostí spory, šířkou a délkou lístku – tedy i se znaky na vyšší než buněčné úrovni. Pozitivní korelace velikosti genomu s počtem chromosomů navíc naznačuje přítomnost polyploidie nebo aneuploidie v karyotypové evoluci mechorostů a detekovaný pokles velikosti chromosomů s jejich rostoucím počtem ukazuje, že i u mechorostů může být přítomen proces polyploid genome downsizing. Cytometrické údaje o genomickém obsahu GC bází byly k dispozici pro 96 druhů mechorostů. Mechorosty, stejně jako ostatní linie terestrických rostlin, mají GC obsah nižší než řasy, což ukazuje na možnou spojitost terestrializace s posunem v bázovém složení genomu. Obsah GC bází nekoreluje u mechorostů s žádným ze zkoumaných fenotypových znaků, koreluje však pozitivně s velikostí genomu. Po odfiltrování vlivu velikosti genomu na variabilitu GC obsahu byla navíc prokázána negativní korelace reziduí genomického obsahu GC bází s počtem chromosomů.

Abstract:

This thesis studied the relationship between genomic and phenotypic traits in bryophytes. Genomic traits included genome size and genomic GC content; phenotypic traits included epidermal cell area, spore size, leaf width and length, stem length, seta length and capsule length; in addition chromosome number was also taken into the account. The relationship of genomic and phenotypic traits has been mostly studied in seed plants where positive correlation has been documented only at the cellular level. At higher phenotypic scales, it was not detected, which could be linked with higher structural complexity of seed plants. Since anatomical and morphological structure is less complex in bryophytes, such a correlation could be found here even at higher phenotypic scales. Genome sizes for 107 species were obtained from the unpublished data of the Lab of Flow Cytometry, MU. The data for the other 181 species were excerpted from the Plant DNA C-values Database. Data on phenotypic traits and chromosome numbers were excerpted from several sources. The relationships between genomic and phenotypic traits were tested using phylogenetic comparative methods. The results showed that genome size of bryophytes is smaller and less variable compared to the other lineages of land plants. Liverworts have smaller genomes than mosses. Genome size in bryophytes is positively correlated with epidermal cell area, spore size, leaf width and leaf length; i.e., with traits at higher than cellular level. Positive correlation between genome size and chromosome number suggests the presence of polyploidy or aneuploidy in karyotype evolution of bryophytes. Since reduction of chromosome size was found to be associated with increase of their number, polyploid genome downsizing could be present also in bryophytes. Flow cytometric data on genomic GC content were available for 96 bryophyte species. Like other lineages of terrestrial plants, bryophytes have smaller GC content than algae. It suggests a possible relationship between terrestrialization and shift in GC content. GC content is not correlated with any studied phenotypic trait but the positive correlation was found with genome size. When the effect of genome size on GC content variability was removed, the negative correlation between residual GC content and chromosome number was detected.

Keywords

adaptive evolution, adaptivní evoluce, bázové složení genomu, Bryophyta, bryophytes, fylogeneticky nezávislé kontrasty, GC content, genome size, genomic base composition, játrovky, liverworts, Marchantiophyta, mechorosty, mechy, morfologie, morphology, mosses, obsah GC bází, phylogenetically independent contrasts, selection, selekce, velikost genomu

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 5. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 25. 6. 2013
• Supervisor: Mgr. Petr Šmarda, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Ecological and Evolutionary Biology / Upper Secondary School Teacher Training in Biology