Vývojové aspekty umlčování exprese genů pro ribosomální RNA v přirozených a syntetických hybridech rodu Tragopogon

Mgr. Hana Malinská, Ph.D.

Doctoral thesis

Evolutionary Aspects of rRNA Gene Silencing in Natural and Synthetic Tragopogon Hybrids

Abstract:

Tragopogon mirus Ownbey a Tragopogon miscellus Ownbey jsou relativně nové allotetraploidní druhy. Vznikly asi před 80ti lety na severozápadě Spojených států poté, co byly jejich rodičovské druhy T. dubius Scop., T. pratensis L. a T. porrifolius L. přivezeny z Evropy. Zde se začaly množit a hybridizovat, dodnes můžeme pozorovat na stejném místě původní diploidní druhy spolu s expandujícími populacemi tetraploidů. Ve většině přirozených populací obsahuje genom T. mirus i T. miscellus mnohem méně rDNA jednotek od jejich společného rodiče (T. dubius) než od druhého rodičovského druhu. Ve vzácných případech dochází k tak rozsáhlé eliminaci T. dubius jednotek, že je rDNA lokus jen velmi obtížně detekovatelný. Jedinci s malým množstvím T. dubius rDNA obvykle vykazují jadérkovou dominanci pouze jednoho z rodičů, paradoxně tedy pochází většina transkriptů právě z T. dubius, tedy minoritního rodiče. Tento obvyklý trend však může být porušen, například dojde-li k natolik vážnému snížení množství T. dubius jednotek, že nejsou schopny pokrýt metabolickou potřebu rRNA v rychle se dělicích pletivech. Pak může dojít i k přepisu rDNA jednotek homeologa, jako se to stalo u jedné přirozené populace T. mirus. V této populaci je množství ribozomálních genů téměř vyrovnané. U těchto rostlin detekujeme zhruba stejné množství transkriptů původem z obou rodičovských druhů. Tyto výsledky ukazují, že proces umlčování genů není nezvratný, ale že umlčené geny lze aktivovat v závislosti na podmínkách (stupeň diferenciace) a počtu genů. Během posledních let bylo připraveno několik syntetických linií, analogických k přirozeným druhům T. mirus a T. miscellus. Ve skupině více než dvou set rostlin se často objevovali jedinci s výrazně odlišným množstvím rDNA jednotek než jsme očekávali, většinou se jednalo o úbytek jednotek T. dubius oproti očekávanému množství. I přes výrazné snížení množství kopií T. dubius rDNA, zůstaly tyto geny transkripčně dominantní. Objevili se také jedinci, kteří měli díky masivní deleci T. porrifolius jednotek téměř vyrovnané množství rDNA obou rodičovských druhů. Tyto linie obvykle vykazovaly transkripční kodominanci. Vzhledem k tomu, že u přirozených (80 let starých) i nově vzniklých allopolyploidů pozorujeme analogické rysy, předpokládáme, že pro nastavení určitého charakteru homogenizace jsou zásadní genetické a epigenetické změny, které nastanou v brzkých generacích vývoje druhu. T. mirus a T. miscellus reprezentují unikátní systém ke studiu raných stadií evoluce polyploidního genomu. Tato práce sumarizuje poznatky o počtu kopií rDNA, jejich dědičnosti, organizaci v jádře a expresi u přirozených i syntetických allotetraploidů rodu Tragopogon.

Abstract:

Tragopogon mirus Ownbey and Tragopogon miscellus Ownbey are recent allotetraploids that have formed recurrently within the last 80 years, following the introduction of the diploids T. dubius Scop., T. pratensis L. and T. porrifolius L. from Europe to North America. In some areas, the progenitor diploids still occur along with expanding populations of the allotetraploids, and the polyploids at those locations likely represent descendents of the nearby diploids. In most natural populations of T. mirus and T. miscellus, there are far fewer rDNA units of the common parent (T. dubius) than there are of the other diploid parent and in some rarely occurring individuals one parental locus was almost deleted. These individuals usually display nucleolar dominance of one parental species (T. dubius). General trend of dominance can be reversed in highly metabollically active tissues. In one population of T. mirus gene ratios were balanced. In these plants, transcripts from both parental species equally occur. Several lineages of T. mirus and T. miscellus were recently successfully resynthetized from diploid species. Among more than 200 synthetic individuals analyzed, we observed frequent deviations from copy number additivity; that is in most cases, the T. dubius homoelogs were reduced in copy number. Also some lines with equal number of both parental rDNA occured, in these lines, codominance of both parental species was usually detected. At the epigenetic level, the genes of T. dubius origin dominate expression in most natural and synthetic allopolyploids. The fact that some rDNA genotypes seen in 80 years old allopolyploids are already evident in the first generation of synthetic lines support the hypothesis that the extent and tempo of rDNA homogenization in older allopolyploids is largely influenced by genetic and epigenetic changes in the early generations. Thus, T. mirus and T. miscellus that formed repeatedly in the wild within the last century represent a unique system to study the early stages of genome evolution following interspecific hybridization and genome duplication. This work summarizes recent works on the chromosomal organization, repeat and loci inheritance and gene expression in natural and synthetic Tragopogon allotetraploids.

Keywords

Polyploidie, rDNA, Tragopogon, jadérková dominance

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 11. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 2. 3. 2012
• Supervisor: RNDr. Aleš Kovařík, CSc.
• Reader: doc. Mgr. Martin Lysák, Ph.D., RNDr. Jiří Široký, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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