Rodičovské geny DNA (cytozin-5) metyltransferáz a jejich exprese u starých polyploidních druhů rodu Nicotiana

Bc. Eva Kabáthová

Master's thesis

Parental genes of DNA (cytosine-5) methyltransferases and their expression in old polyploid species of the genus Nicotiana

Abstract:

Vznik allopolyploidních druhů je často doprovázen jak genetickými, tak i epigenetickými změnami. Podstata epigenetických změn není zcela jasná, proto je vhodné studovat dědičnost a funkci epigenetických regulátorů. DNA-(cytosin-5)-methyltransferázy patří mezi hlavní epigenetické regulátory podílející se na vzniku a udržení methylovaných cytosinů v DNA. Předmětem výzkumu této práce jsou rodičovské geny MET1 a CMT3 methyltransferáz polyploidních rostlin sekcí Polydicliae a Repandae patřících do rodu Nicotiana, které vznikly před asi jedním a 4 až 5 milióny lety. Cílem práce bylo zjistit, zda se rodičovské geny těchto dvou hlavních methyltransferázových rodin v průběhu evoluce udržely v polyploidních genomech a zda jsou stále transkripčně aktivní. Pro gen MET1 byla provedena kompletní analýza. Byly získány reprezentativní klony částečných cDNA a genomických sekvencí. U rostlin sekce Repandae byla nalezena pouze jedna sekvence původem z N. sylvestris, což bylo potvrzeno Southern blot hybridizací. U rostlin sekce Polydicliae byly nalezeny dvě různé sekvence pocházející pravděpodobně z rodičovských druhů. Původ sekvencí byl potvrzen fylogenetickou analýzou. Poměr nesynonymních a synonymních substitucí svědčí o silném evolučním tlaku působícím za účelem zachování funkce genu. Byl zjištěn nepatrný rozdíl v selekčním tlaku na rodičovské sekvence u jedné z rostlin sekce Polydicliae. Analýza CMT3 genů prozatím není zcela dokončena. Byly získány částečné sekvence genů, nepodařilo se však získat cDNA sekvence pro všechny rostliny. Pro fylogenetickou analýzu byla použita pouze kódující oblast identifikovaná v získaných genomických sekvencích. CMT3 sekvence byly zřetelně rozděleny na orthologní a paralogní vzhledem k CMT3 sekvenci Arabidopsis thaliana. U rostlin sekce Repandae byl zatím identifikován pouze jeden typ sekvence pro orthologní a paralogní gen CMT3. Byly izolovány paralogní sekvence N. clevelandii a N. quadrivalvis, které pravděpodobně pochází z N. attenuata a paralogní sekvence N. clevelandii pocházející pravděpodobně z N. obtusifolia. Předmětem zájmu nadále zůstává získat cDNA sekvence genů CMT3 a tak zjistit, které z izolovaných genů jsou transkripčně aktivní. Otázkou zůstává, zda mají redundantní geny CMT3 stejnou funkci a vzájemně se doplňují, nebo jestli se jedná o geny s různými funkcemi.

Abstract:

The emergence of allopolyploidy species is often accompanied by genetic and epigenetic changes. The essence of epigenetic changes is not entirely clear, it is therefore appropriate to study the inheritance and function of epigenetic regulators. DNA (cytosine-5)-methyltransferases belong to the major epigenetic regulators involved in the formation and maintenance of methylated cytosines in DNA. The subjects of this research are parental genes of MET1 and CMT3 methyltransferases of polyploid plants in sections Polydicliae and Repandae belonging to the genus Nicotiana, which originated about one and 4-5 million years ago, respectively. The aim of the study was to determine whether the parental genes of these two major methyltransferase families are maintained during evolution in polyploid genomes and whether they are still transcriptionally active. For MET1 gene, complete analysis has been performed. Representative clones of partial cDNA and genomic sequences were obtained. In plants of section Repandae, only one sequence originated from N. sylvestris was found, which was confirmed by Southern blot hybridization. In plants of the section Polydicliae, two different sequences were found originated probably from the parent species. The origin of the sequence was confirmed by phylogenetic analysis. Ratio of nonsynonymous and synonymous substitutions suggests a strong evolutionary pressure acting to maintain the function of the gene. We observed a slight difference in selective pressure on the parental sequences in one of the plants of section Polydicliae. Analysis of CMT3 genes has not been completed yet. Partial sequences of genes were obtained, but we failed to obtain cDNA sequences for all plants. For the phylogenetic analysis, only the coding region identified in cloned genomic sequences was used. CMT3 sequences were clearly divided into orthologs and paralogs with regard to Arabidopsis thaliana CMT3 sequence. In plants of the section Repandae, only one type of the sequence was identified for both orthologous and paralogous CMT3 genes. Paralogous sequences were isolated from N. clevelandii and N. quadrivalvis, which probably comes from N. attenuata, and paralogous sequence from N. clevelandii probably originating from N. obtusifolia. To obtain cDNA sequences of the CMT3 genes and to determine which of the isolated genes are transcriptionally active still remain as the objects of interest. The question remains whether the redundant CMT3 genes have the same function and complement each other, or whether the genes have different functions.

Keywords

polyploidie, Nicotiana, methyltransferáza, MET1, CMT3

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 7. 6. 2013
• Supervisor: Mgr. Jaroslav Fulneček, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Analytical Biochemistry