Chromosomal collinearity and karyotype evolution in crucifers (Brassicaceae)

Mgr. Terezie Mandáková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Čeleď brukvovitých (Brassicaceae, Crucifereae) patří k největším rostlinným čeledím; zahrnuje 49 tribů, 321 rodů a 3660 druhů. Zájem vědců o tuto čeleď vzrostl především díky ustanovení huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana) modelovým druhem a sekvenování jeho genomu, které odstartovalo mimo jiné bouřlivý rozvoj srovnávací fylogenomiky a cytogenomiky, včetně úspěšného zavedení metody malování chromosomů (chromosome painting, CP) huseníčku a jejího rozšíření na další zástupce čeledi brukvovitých (srovnávací malování chromosomů, comparative chromosome painting, CCP). Metoda CCP umožňuje studium chromosomové kolinearity, rozpoznání přestaveb a rekonstrukci struktury karyotypů. Brukvovité jsou jedinou rostlinnou čeledí, u níž je v tomto rozsahu metoda CCP použitelná. Srovnávací cytogenetické mapy brukvovitých rostlin tak představují unikátní typ dat o evoluci rostlinných karyotypů a genomů. Předkládaná disertační práce se věnuje evoluci karyotypu v čeledi brukvovitých studované pomocí metody srovnávacího malování chromosomů. Úvod disertační práce je rozdělen na čtyři části. První kapitola představuje chromosomy, karyotypy, jejich variabilitu a evoluci ovlivněnou chromosomovými přestavbami a polyploidií. Druhá metodická část pojednává o principech malování chromosomů. Stěžejní třetí kapitola disertační práce shrnuje naši současnou znalost o evoluci karyotypu a genomu v čeledi Brassicaceae. Poslední kapitola poskytuje srovnání s ostatními rostlinnými čeleděmi. Osm přiložených publikací, které výmnamně přispěli k poznání studované problematiky, dokumentuje vědecké výsledky autora disertační práce v těchto základních oblastech: 1) Optimalizace a použití metody CCP u různých brukvovitých druhů. 2) Určení mechanismu zodpovědného za snižování chromosomového počtu. 3) Studium role polyploidie v evoluci karyotypu a genomu. 4) Přezkoumání vlivu chromosomových přestaveb na rostlinnou speciaci.

Abstract:

The Brassicaceae (Crucifereae) comprises 49 tribes, 321 genera and 3660 species, and belongs to the largest plant families. Whole-genome sequencing of the model plant Arabidopsis thaliana fuelled the interest of scientists in the mustard family as well as rapid development of comparative phylogenomics and cytogenomics, including the invent of chromosome painting in A. thaliana and comparative chromosome painting (CCP) in other Brassicaceae species. The Brassicaceae is the only plant family in which large-scale CCP is feasible. CCP provides unique insights into the karyotype and genome evolution in plants by comparing chromosome collinearity, identification of chromosome rearrangements, construction of comparative cytogenetic maps, and reconstruction of ancestral karyotype structures. This PhD thesis deals with the karyotype evolution in the Brassicaceae family uncovered by comparative chromosome painting. The introductory part is divided into four chapters. The first chapter introduces chromosomes, karyotypes, karyotypic variation, and the role of chromosome rearrangements and polyploidy in the karyotype and genome evolution. In the methodical second part, principles of chromosome painting are described. The core third chapter focuses on comparative cytogenomics in the Brassicaceae, and summerizes the current knowledge on karyotype and genome evolution in this family. The final chapter provides comparison of karyotype evolution in the Brassicaceae with evolutionary trends in other plant families. Eight publications document author`s contribution in the following research areas: 1) Optimization and application of the large-scale CCP in Brassicaceae. 2) Identification of the mechanisms responsible for chromosome number reduction. 3) Evaluation of the role of polyploidy in karyotype and genome evolution. 4) Re-examination of the role of antient chromosome rearrangements in plant speciation.

Keywords

chromosomová kolinearita, evoluce karyotypu, Brassicaceae, polyploidie, celogenomové duplikace, chromosomové přestavby, srovnávací malování chromosomů, chromosomal collinearity, karyotype evolution, polyploidy, whole-genome duplication, chromosome rearrangements, comparative chromosome painting

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 3. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 28. 5. 2013
• Supervisor: doc. Mgr. Martin Lysák, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Eduard Kejnovský, CSc., prof. Ing. Jaroslav Doležel, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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