Genová exprese u aloploidů a mezidruhových kříženců rostlin

Mgr. Marek Glombik, Ph.D.

Doctoral thesis

Gene expression in plant allopolyploids and interspecific hybrids

Abstract:

Alopolyploidi jsou organismy, kteří mají v somatických buňkách více než dvě sady chromozomů, které jsou zděděné od dvou různých druhů díky mezidruhovému křížení. Mezidruhová hybridizace je tak důležitým procesem v evoluci rostlin a rovněž cenným nástrojem šlechtitelských programů. Nově vzniklí kříženci často zažívají stav ‘genomického šoku’, který je představován souborem změn zahrnujících zvýšení či snížení velikosti genomu, přestavby karyotypu, aktivaci transposibilních elementů a změny v expresi genů. Tyto změny mohou být v rámci rodičovských genomů v hybridovi asymetrické, což vede k nastolení dominance jednoho rodičovského genomu nad druhým. Tato ‘genomová dominance’ se na úrovni transkriptomu projevuje několika způsoby, a to preferenční expresí jednoho z homoeologů, či dominancí na úrovni celkové exprese genů. V rámci této práce byly studovány projevy genomové dominance na úrovni transkriptomu u reciprokých mezidruhových kříženců Festulolium (Festuca pratensis × Lolium multiflorum). Signifikantně větší množství genů v křížencích reflektovalo úroveň exprese rodičovského druhu L. multiflorum, v porovnání s množstvím genů majících úroveň exprese druhu F. pratensis. Tento projev genomové dominance se ukázal být dědičným do další generace, a byl pouze částečně ovlivněn změnami vnějších podmínek či stářím rostlin. Tato práce prohlubuje znalosti o genomové dominanci na molekulární úrovni, což povede k jejich praktickému využití ve šlechtění rostlin.

Abstract:

Allopolyploids are organisms that have more than two chromosome sets in their somatic cells inherited from two different species via interspecific hybridization. Hybridization of two distinct species is an important process in plant evolution and a valuable tool in breeding programs. Newly formed hybrids often experience 'genomic shock', i.e., large-scale alterations including increase or decrease of the genome size, karyotype reshuffling, alteration in methylation patterns, activation of transposable elements and changes in gene expression. These changes may be asymmetric with respect to the two progenitors, with one of the parental genomes establishing 'dominance'. Such ‘genome dominance’ is manifested at the transcriptomic level in several ways, including biased homoeolog gene expression and expression level dominance. In this study, reciprocal Festulolium interspecific hybrids (Festuca pratensis × Lolium multiflorum), as well as their two progenitors were studied for the effect of genome dominance on the transcriptomic level. Significantly more genes in the hybrids mimicked the level of gene expression of the Lolium parent compared to the Festuca parent. This pattern of genome dominance was heritable to the successive generation and its direction was only slightly modified by environmental conditions and plant age. This thesis widens the understanding of the molecular basis of genome dominance and will have practical implications with respect to plant breeding.

Keywords

Genová exprese, Mezidruhové křížení, Polyploidie, Alopolyploidie, Festuca, Lolium, Festulolium, RNA sekvenování, Genomová dominance Gene expression, Interspecific hybridization, Polyploidy, Allopolyploidy, RNA sequencing, Genome dominance

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 8. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 10. 9. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. David Kopecký, Ph.D.
• Reader: RNDr. Bohuslav Janoušek, Ph.D., doc. Ing. Petr Smýkal, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Genomics and Proteomics / Genomics and Proteomics