Evoluční aspekty horizontálního genového přenosu u rostlin

Ing. Viera Kováčová, Ph.D.

Doctoral thesis

Evolutionary aspects of horizontal gene transfer in plants

Abstract:

In this thesis we study the horizontal gene transfer (HGT) of gene coding mikimopine synthase (mis gene) from Agrobacterium rhizogenes to recipients - species within plant genera Linaria and Nicotiana. mis gene is a part of agrobacterial T-DNA plasmid. The role of mis gene is to synthesize agrobactrium-specific nutrients inside of host cells. Using in silico analyses of mis gene sequences, gained from databases or via detection and amplification in wet lab, we show three possible fates of the mis gene evolution after HGT event. In the case of genus Linaria, mis gene started to degenerate shortly after the incorporation into the plant genome. The fate of mis gene among Nicotiana species is different. mis gene of N. glauca has untouched open reading frame, is transcriptionally active, and is evolving under strong selective pressure. mis gene probably possesses some benefitial effects for N. glauca, is beeing domesticated, and/or maybe is beeing neofunctionalized. mis gene within the genome of N. tabacum and N. tomentosiformis has a shift in open reading frame followed by the presence of nonsense mutations. However, all analyses again predict evolution under selective pressures and a possible role in plant immunity defence mechanisms against pathogenes. To verify host attempts to silence transposable elements, that agrobacterial T-DNA actually is, via cytosine methylation, we created an user friendly application for the design of primers dedicated for bisulfite sequencing. The tool is named BisPrimer and has optimized default settings which can be customized by user. BisPrimer designs primers for bisulfite treated plant DNA, as well as for bisulfite treated mammalian DNA, alongside an entire uploaded sequence or only for an user defined part.

Abstract:

V tejto dizertačnej práci se venujeme horizontálnemu génovému prenosu génu kódujúceho mikimopínsyntázu (mis gén) z donora Agrobacterium rhizogenes na recipientov – druhy vrámci rastlinných rodov Linaria a Nicotiana. mis gén je súčasťou prenášanej časti plazmidu T-DNA, ktorý sa nachádza v patogénnych a symbiotických kmeňoch Agrobacteria, jeho úlohou je syntetizovať agrobacterium-špecifické nutrienty (mikimopíny) v bunkách hostiteľa. Prostredníctvom in silico analýz sekvencií mis génov, získaných z databáz i izolovaných v laboratóriu, sme ukázali tri možné osudy vývoja novonadobudnutého mis génu rastlinnými recipientami. V prípade rodu Linaria mis gén krátko po začlenení začal degenerovať a vývíja sa pod neutrálnymi selekčnými tlakmi. Situáciu v druhoch rodu Nicotiana je iná. N. glauca má zachovaný čítací rámec, mis gén je naďalej transkripčne aktívny a pôsobia naň silné selekčné tlaky. Táto situácia značí prospešný charakter zisku bakteriálneho mis génu a jeho domestikáciu či neofunkcionalizáciu. mis gén v genóme N. tabacum a N. tomentosiformis má posun v čítacom rámci, čo vedie k prítomnosti stop kodónov, napriek tomu analýzy naznačujú vývoj pod selekčnými tlakmi a možnosť zapojenia do obranných rastlinných mechanizmov voči patogénom. Na overenie snahy rastlinného hostiteľa umlčať transponovateľné elementy, akým je vlastne aj T-DNA z Agrobacteria rhizogenes a Agrobacterium tumefaciens, prostredníctvom metylácií cytozínov, sme vytvorili užívateľsky priateľský nástroj na návrh primerov pre bisulfitové sekvenovanie s názvom BisPrimer. Program má prednastavené optimalizované parametre, ktoré si môže užívateľ prispôsobiť, navrhuje primery na bisulfitom ošetrené rastlinné genómy, ako aj genómy cicavcov, s možnosťou návrhu primerov pozdĺž celej dĺžky zadanej sekvencie či zvoleného úseku sekvencie.

Keywords

Horizontální génový přenos, evoluce, rostliny, bisulfitové sekvenování, metylace cytosinu

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 3. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 28. 4. 2017
• Supervisor: RNDr. Bohuslav Janoušek, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Roman Pantůček, Ph.D., Mgr. Jan Bartoš, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

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