Analýza dynamiky transkriptomu v průběhu vývoje semene ječmene setého

Mgr. Martin KOVAČIK

Doctoral thesis

Analysis of transcriptome dynamics of developing barley seeds

Abstract:

Obiloviny jsou důležitým zdrojem potravy a krmiva díky jejich velkému endospermu. Vývoj semene začíná dvojitým oplozením, při kterém dvě spermatická jádra migrují do zárodečného vaku; jedno splyne s jádrem vaječné buňky a druhé s jádrem centrální buňky. Tento složitý proces vede k vytvoření diploidního embrya a triploidního endospermu, které jsou obklopeny diploidním semenným obalem mateřského původu. Porozumění regulačním mechanismům, které řídí vývoj semene u obilovin, je nezbytné pro šlechtění rostlin a zvýšení výnosu. Ačkoliv byl proveden rozsáhlý výzkum na modelových systémech, jako jsou Arabidopsis thaliana a kukuřice, podrobné informace o těchto procesech u ječmene zůstaly neúplné. Abychom poskytli detailní časoprostorové informace o genové expresi ve vyvíjejících se semenech ječmene, vyvinuli jsme podrobný protokol pro ruční disekci pletiv vysoké čistoty ze semen ječmene a provedli transkriptomickou analýzu embrya, endospermu a semenného obalu disektovaných ze zrn 4 až 32 dní po opylení. Naše analýza diferenciální genové exprese a koexpresních sítí identifikovala specifické skupiny genů a transkripčních faktorů klíčových pro vývojové přechody a markerové geny relevantní pro studium diferenciace endospermu. Exprese histonů a podjednotek Polycomb represivního komplexu 2 ukázala, že epigenetické procesy jsou vysoce dynamické a hrají významnou roli ve vývoji endospermu ječmene. Množství represivní modifikace H3K27me3 je v endospermu globálně nižší, zejména u genů spojených s akumulací zásobních látek. Naše komparativní analýza vedoucí k identifikaci konzervovaných imprintovaných genů vytvořila základ pro budoucí studie genomového imprintingu u ječmene. Transkriptomický atlas, který jsme vyvinuli, poskytuje pevnou základnu pro další studie klíčových faktorů ovlivňujících vývoj zrna ječmene.

Abstract:

Cereal grains constitute an important source of food and feed, owing to their large endosperm. Seed development initiates with double-fertilization, wherein two sperm nuclei migrate into embryo sac; one fuses with the egg cell nucleus, and the second with the central cell nucleus. This intricate process results in the formation of the diploid embryo and triploid endosperm being surrounded by a diploid seed coat of maternal origin. Understanding the regulatory mechanisms governing seed development in cereals is essential for plant breeding and yield enhancement. Although extensive research has been conducted in model systems such as Arabidopsis thaliana and maize, comprehensive information on these processes in barley has remained incomplete. To provide detailed spatiotemporal insights into gene expression in developing seeds of cultivated barley, we established a detailed protocol for the manual dissection of high-purity barley seed tissues and conducted a transcriptomic analysis of the embryo, endosperm, and seed maternal tissues dissected from grains 4 to 32 days after pollination. Our analysis of differential gene expression and co-expression networks identified specific groups of genes and transcription factors pivotal for developmental transitions and marker genes relevant for studying endosperm differentiation. Expression of histones and Polycomb repressive complex 2 subunits indicated that epigenetic processes are highly dynamic and play a significant role in the development of barley endosperm. The repressive modification H3K27me3 is globally reduced in endosperm tissues, particularly at genes associated with accumulation of storage compounds. Our comparative approach to identify conserved imprinted genes established a foundation for future studies on genomic imprinting in barley. The transcriptome atlas we have developed provides a solid base for further biological investigations into the key factors influencing barley grain development.

Keywords

rostliny, ječmen, Horedum vulgare, semínko, embryo, endosperm, obalové vrstvy, RNA-seq, transkriptom, epigenetika, genomický imprinting

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 3. 2024

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Aleš Pečinka, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Molecular and Cell Biology