Studium karyologické variability v rodu Taraxacum

Mgr. Petra MACHÁČKOVÁ

Doctoral thesis

Analysis of karyological variability in Taraxacum.

Abstract:

Taraxacum F. H. Wiggers (dandelions) is a species-rich genus from family Asteraceae (subfamily Cichorioideae). It is well-known for its worldwide distribution and taxonomic complexity, which is caused by reticulate evolution including sexual diploid and apomictic polyploid species. Apomixis (asexual reproduction through seeds) in this genus is regulated by three dominant loci (for meiotic diplospory, parthenogenetic embryo development and autonomous development of endosperm), with the locus for meiotic diplospory located on at least one of the NOR-chromosomes. Despite this finding, there is still a lack of knowledge about the structure and variability of karyotypes of sexual and apomictic dandelions. The first part of the thesis is focused on the determination of chromosome number, ploidy level and estimation of genome size for selected apomictic dandelions from section Taraxacum (T. officinale agg.). The aim of this study was to establish the number of chromosomes in the nuclei of twenty-eight dandelion species using the squash technique from their mitotically active root tips and to reveal the variability in genome size values for twenty-six dandelion species by flow cytometry. The results of the study confirmed the same chromosome number and ploidy level (2n = 3x = 24) for all twenty-eight Taraxacum species and revealed only minor differences in the DNA content of evaluated genomes.The second part of this thesis deals mainly with the cytogenetic mapping of 45S and 5S rDNA loci on metaphase mitotic chromosomes using the FISH technique in karyotypes of thirty-eight sexual and apomictic Taraxacum species from seventeen different sections. In addition to the description of the basic characteristics of individual karyotypes of sexual and apomictic dandelions, the main goal of this study was to detect any common patterns in the distribution of both types of rDNA loci on mitotic metaphase chromosomes, which could be helpful for the orientation in very complex taxonomy of the genus. Our results showed the same ratio (1:2) in the number of loci for 45S and 5S rDNA per haploid level in most of the studied karyotypes of sexual and apomictic dandelions. On the contrary, considerable variability in the positions of both rDNA loci was revealed, both when comparing two or more dandelion karyotypes representing different sections (or one section) and even within one evaluated karyotype. Relatively high variability in results was further found by using other cytogenetic and molecular techniques (estimation of genome size and GC content and sequence analysis of ITS), which all can be attributed to complex reticulate evolution in Taraxacum genus, involving frequent hybridization and polyploidization.

Abstract:

Rod Taraxacum (pampelišky) představuje druhově velmi bohatou a celosvětově rozšířenou skupinu rostlin, která je řazena do čeledi Asteraceae, podčeledi Cichorioideae. Taxonomie tohoto rodu je známá svou složitostí, způsobenou retikulární evolucí, na níž se podílejí sexuální diploidní i apomiktické polyploidní druhy. Apomixie (nepohlavní rozmnožování za pomocí semen) je u pampelišek regulována za pomocí tří dominantních genů (pro meiotickou diplosporii, partenogenetický vývoj embrya a autonomní vývoj endospermu). Navíc o lokusu pro meiotickou diplosporii je známo, že se nachází alespoň na jednom z NOR-chromozomů. Nicméně, navzdory tomuto zjištění toho o struktuře a variabilitě karyotypů sexuálních a apomiktických pampelišek víme stále velice málo. První část disertační práce je zaměřena na stanovení počtu chromozomů, ploidní úrovně a velikosti genomu pro vybrané zástupce apomiktických pampelišek ze sekce Taraxacum (T. officinale agg.). Cílem této studie bylo odhalit počet chromozomů v jádrech dvaceti osmi druhů pampelišek klasickou metodou roztlakových preparátů z jejich mitoticky aktivních kořenových špiček a zjistit míru variability velikosti genomu u dvaceti šesti druhů pomocí metody průtokové cytometrie. Výsledky studie potvrdily stejný počet chromozomů a ploidní úroveň (2n = 3x = 24) u všech dvaceti osmi druhů a u zhodnocených genomů odhalily pouze malou variabilitu v jejich obsahu DNA. Druhá část této práce se primárně věnuje cytogenetickému mapování lokusů pro 45S a 5S rDNA na metafázních mitotických chromozomech za pomocí techniky FISH, a to v karyotypech třiceti osmi druhů sexuálních i apomiktických pampelišek, zastupujících sedmnáct sekcí. Cílem této studie bylo kromě popisu základních vlastností jednotlivých karyotypů sexuálních a apomiktických pampelišek odhalit případné společné paterny v distribuci zmíněných lokusů rDNA na mitotických metafázních chromozomech, které by mohly být nápomocné při orientaci ve velmi složité taxonomii rodu. Naše výsledky odhalily ve většině studovaných karyotypů stejný poměr (1:2) v počtu lokusů pro 45S a 5S rDNA na haploidní sadu chromozomů. Na druhou stranu však byla zjištěna značná variabilita v pozicích obou lokusů rDNA na mitotických metafázních chromozomech, a to jak při porovnání karyotypů pampelišek zastupujících blízce příbuzné sekce, stejnou sekci, tak dokonce i vrámci jednoho karyotypu. Relativně vysoká variabilita získaných výsledků nejen z karyologické studie, ale i z výsledků doplňkových metod (určení velikosti genomu, obsahu GC bází a sekvenování ITS oblastí) je tedy pravděpodobně důsledkem složité retikulární evoluce tohoto rodu, zahrnující častou hybridizaci a polyploidizaci.

Keywords

5S rDNA, 45S rDNA, FISH, idiogram, karyologie, metafázní chromozomy, NOR, obsah GC bází, velikost genomu, Taraxacum

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 1. 2020

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Bohumil Trávníček, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Botany