Ciliates are model organisms for studying programmed genome rearrangement because each cell houses two distinct genomes. During postzygotic development, the somatic genome rearranges from a copy of the germline genome via extensive genome remodeling, including DNA elimination, religation and sometimes translocation or inversion of genomic regions. Previous studies of this process were restricted to a few model ciliates including Tetrahymena thermophila, Paramecium tetraurelia and Oxytricha trifallax. Oxytricha diverged from Tetrahymena and Paramecium over one billion years ago, and it possesses a massively fragmented and scrambled germline genome. My thesis compares Oxytricha to more closely related ciliates to address the evolutionary origin of genome complexity. Chapter 1 provides a general introduction to genome architecture, comparison of well-studied ciliate genomes and challenges of studying genome rearrangement in non-model ciliates. Chapter 2 describes a computational pipeline, SIGAR (Split-read Inference of Genome Architecture and Rearrangements), which infers genome rearrangement features without a germline genome assembly. We validated the pipeline using a published Oxytricha dataset, and also applied it to six diverse ciliate species including Ichthyophthirius multifiliis, a fish pathogen. This pipeline enables pilot surveys or exploration of chromosomal rearrangement in ciliates with limited germline DNA access, thereby providing new insights into the evolution of DNA rearrangement. Chapter 3 presents a comparative genomic study of three ciliate species including Oxytricha trifallax, Tetmemena sp. and Euplotes woodruffi. Collaborating with my colleagues, I assembled and annotated germline genomes in Tetmemena and E. woodruffi, as well as E. woodruffi’s somatic genome. We identified scrambled genes in all three species, especially the earlier-diverged E. woodruffi, though at a lower level (7.3% of gene loci) compared to Oxytricha (15.6%) and Tetmemena (13.6%). E. woodruffi may therefore represent an intermediate between the nonscrambled ancestral genome and more massively scrambled genomes as can be seen in Oxytricha and Tetmemena. We also found that scrambled genes tend to have more paralogs or have partial MDS duplications, suggesting that local duplications might play a role in the evolutionary origin of scrambled genes. Chapter 4 reports a new genetic code identified in a basal spirotrich ciliate, Licnophora macfarlandi. Ciliates have been a hot spot for the evolution of alternative genetic codes. All variant genetic codes in ciliates reassign canonical stop codons to amino acids, and in most cases the UAA and UAG are reassigned to the same amino acid, or are both used as stop codons. The codon usage analysis in Licnophora revealed an unprecedented genetic code that translates the UAA to glutamic acid and the UAG to glutamine. We also detected candidate tRNAs from the somatic genome which can recognize the UAA and UAG. Chapter 5 describes possible future directions to understand the genome complexity of ciliates.

A família Meliaceae compreende cerca de 51 gêneros e 550 espécies distribuídas principalmente na região Neotropical. Incluídas nesta família, estão espécies de elevado interesse comercial para a produção de madeiras nobres. Há carência de informações quanto à biologia floral dessas espécies, que aliada a problemas silviculturas dificulta a elaboração de programas efetivos de melhoramento genético das espécies de interesse econômico da família. O presente trabalho visa contribuir para o entendimento do desenvolvimento floral na família Meliaceae, com destaque para sete espécies de interesse econômico e/ou ecológico: Cedrela fissilis L., Cedrela odorata L., Swietenia macrophylla R. A. King, Trichilia claussenii C. DC., Guarea guidonea (L.) Sleumer, Toona ciliata M. J. Roem e Melia azedarach L. Para os estudos morfo-anatômicos utilizaram-se técnicas de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Analisou-se igualmente o padrão de expressão de genes do modelo ABC, relacionados ao desenvolvimento floral, via hibridização in situ. Os estudos morfo-anatômicos permitiram caracterizar o desenvolvimento dos primórdios dos órgãos florais e o estabelecimento de estágios arbitrários de desenvolvimento, auxiliando na caracterização da expressão gênica. Estes resultados permitiram ainda a identificação de flores funcionalmente femininas ou masculinas em S. macrophylla C. fissilis, C. odorata e T. ciliata, as quais apresentam dimorfismo sexual. O padrão de expressão dos homólogos dos genes: APETALA1 (AP1), APETALA3 (AP3) e AGAMOUS (AG) foram diferentes daqueles previstos pelo modelo ABC. A expressão dos homólogos de AP1 foi verificada em todo o meristema floral nos estágios iniciais de desenvolvimento, em todas as espécies estudadas. O sinal de expressão concentrou-se nos primórdios das sépalas e pétalas em estágios mais avançados do desenvolvimento, porém um fraco sinal de hibridização de AP1 foi verificado em todos os verticilos. A expressão dos homólogos de AP3 foi verificada nas regiões previstas pelo modelo ABC, correspondentes ao segundo e terceiro verticilos. Porém um fraco sinal de AP3 foi também observado no quarto verticilo, o que não é previsto pelo modelo teórico. A expressão dos homólogos de AG foi restrita à região central do meristema floral, correspondente ao terceiro e quarto verticilos, em todos os estágios do desenvolvimento floral de todas as espécies estudadas. Entretanto, sinais adicionais de hibridização dos homólogos de AG foram visualizados na região abaxial dos primórdios de sépalas e pétalas em C. fissilis, C. odorata e T. ciliata. Os estudos da expressão dos genes do modelo ABC em Meliaceae revelaram padrões de expressão que não concordam com o modelo teórico vigente do controle molecular da determinação da identidade dos órgãos florais. / The Meliaceae family comprises approximately 51 genus and 550 species mainly distributed in the Neotropical region. In this family there are many species of commercial interest for the production of noble wood. The lack of information on the floral biology associated with silvicultural problems limits the elaboration of effective breeding programs with species of economic interest. The present work aims to contribute with the understanding of floral development in Meliaceae, focusing in seven species of economical or ecological interest: Cedrela fissilis L., Cedrela odorata L., Swietenia macrophylla R. A. King, Trichilia claussenii C. DC., Guarea guidonea (L.) Sleumer, Toona ciliata M. J. Roem e Melia azedarach L. Morpho-anatomical analyses were done by light and scannning electron microscopy. The expression pattern of the ABC model genes, which are related to floral development, was analyzed by in situ hybridization. The characterization of the development of floral organ primordia and the establishment of arbitrary stages of floral development was done and was important for the characterization of gene expression. These results allowed for the identification of functionally female and male flowers in Swietenia macrophylla, Cedrela fissilis, Cedrela odorata and Toona ciliata, characterizing sexual dimorphism. The patterns of gene expression of the homologous of APETALA 1, APETALA 3 and AGAMOUS were different from those predicted by the ABC model. AP1 expression was observed in the entire floral meristem in the initial stages of development, in all seven species. The expression signal was more concentrated in sepal and petal primordia in further stages of development, although a weak hybridization signal of AP1 was verified in all four whorls. The expression of AP3 homologs was observed in the second and third whorls, as predicted by the ABC model. However, a weak signal of AP3 was also observed in the forth whorl, which was not predicted by the ABC model. AG homolog expression was restricted to the central region of the floral meristem, corresponding to the third and forth whorls, in all stages of development of all seven species. However, additional hybridization signal of AG homologs were seen in the abaxial region of sepal and petal primordia in Cedrela fissilis, Cedrela odorata and Toona ciliata. The analyses of the ABC model genes in Meliaceae revealed that the expression patterns do not agree with the theoretical currently accepted model that determines the molecular control of the identity of the floral organs.

A família Meliaceae compreende cerca de 51 gêneros e 550 espécies distribuídas principalmente na região Neotropical. Incluídas nesta família, estão espécies de elevado interesse comercial para a produção de madeiras nobres. Há carência de informações quanto à biologia floral dessas espécies, que aliada a problemas silviculturas dificulta a elaboração de programas efetivos de melhoramento genético das espécies de interesse econômico da família. O presente trabalho visa contribuir para o entendimento do desenvolvimento floral na família Meliaceae, com destaque para sete espécies de interesse econômico e/ou ecológico: Cedrela fissilis L., Cedrela odorata L., Swietenia macrophylla R. A. King, Trichilia claussenii C. DC., Guarea guidonea (L.) Sleumer, Toona ciliata M. J. Roem e Melia azedarach L. Para os estudos morfo-anatômicos utilizaram-se técnicas de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Analisou-se igualmente o padrão de expressão de genes do modelo ABC, relacionados ao desenvolvimento floral, via hibridização in situ. Os estudos morfo-anatômicos permitiram caracterizar o desenvolvimento dos primórdios dos órgãos florais e o estabelecimento de estágios arbitrários de desenvolvimento, auxiliando na caracterização da expressão gênica. Estes resultados permitiram ainda a identificação de flores funcionalmente femininas ou masculinas em S. macrophylla C. fissilis, C. odorata e T. ciliata, as quais apresentam dimorfismo sexual. O padrão de expressão dos homólogos dos genes: APETALA1 (AP1), APETALA3 (AP3) e AGAMOUS (AG) foram diferentes daqueles previstos pelo modelo ABC. A expressão dos homólogos de AP1 foi verificada em todo o meristema floral nos estágios iniciais de desenvolvimento, em todas as espécies estudadas. O sinal de expressão concentrou-se nos primórdios das sépalas e pétalas em estágios mais avançados do desenvolvimento, porém um fraco sinal de hibridização de AP1 foi verificado em todos os verticilos. A expressão dos homólogos de AP3 foi verificada nas regiões previstas pelo modelo ABC, correspondentes ao segundo e terceiro verticilos. Porém um fraco sinal de AP3 foi também observado no quarto verticilo, o que não é previsto pelo modelo teórico. A expressão dos homólogos de AG foi restrita à região central do meristema floral, correspondente ao terceiro e quarto verticilos, em todos os estágios do desenvolvimento floral de todas as espécies estudadas. Entretanto, sinais adicionais de hibridização dos homólogos de AG foram visualizados na região abaxial dos primórdios de sépalas e pétalas em C. fissilis, C. odorata e T. ciliata. Os estudos da expressão dos genes do modelo ABC em Meliaceae revelaram padrões de expressão que não concordam com o modelo teórico vigente do controle molecular da determinação da identidade dos órgãos florais. / The Meliaceae family comprises approximately 51 genus and 550 species mainly distributed in the Neotropical region. In this family there are many species of commercial interest for the production of noble wood. The lack of information on the floral biology associated with silvicultural problems limits the elaboration of effective breeding programs with species of economic interest. The present work aims to contribute with the understanding of floral development in Meliaceae, focusing in seven species of economical or ecological interest: Cedrela fissilis L., Cedrela odorata L., Swietenia macrophylla R. A. King, Trichilia claussenii C. DC., Guarea guidonea (L.) Sleumer, Toona ciliata M. J. Roem e Melia azedarach L. Morpho-anatomical analyses were done by light and scannning electron microscopy. The expression pattern of the ABC model genes, which are related to floral development, was analyzed by in situ hybridization. The characterization of the development of floral organ primordia and the establishment of arbitrary stages of floral development was done and was important for the characterization of gene expression. These results allowed for the identification of functionally female and male flowers in Swietenia macrophylla, Cedrela fissilis, Cedrela odorata and Toona ciliata, characterizing sexual dimorphism. The patterns of gene expression of the homologous of APETALA 1, APETALA 3 and AGAMOUS were different from those predicted by the ABC model. AP1 expression was observed in the entire floral meristem in the initial stages of development, in all seven species. The expression signal was more concentrated in sepal and petal primordia in further stages of development, although a weak hybridization signal of AP1 was verified in all four whorls. The expression of AP3 homologs was observed in the second and third whorls, as predicted by the ABC model. However, a weak signal of AP3 was also observed in the forth whorl, which was not predicted by the ABC model. AG homolog expression was restricted to the central region of the floral meristem, corresponding to the third and forth whorls, in all stages of development of all seven species. However, additional hybridization signal of AG homologs were seen in the abaxial region of sepal and petal primordia in Cedrela fissilis, Cedrela odorata and Toona ciliata. The analyses of the ABC model genes in Meliaceae revealed that the expression patterns do not agree with the theoretical currently accepted model that determines the molecular control of the identity of the floral organs.

A família Meliaceae compreende cerca de 51 gêneros e 550 espécies distribuídas principalmente na região Neotropical. Incluídas nesta família, estão espécies de elevado interesse comercial para a produção de madeiras nobres. Há carência de informações quanto à biologia floral dessas espécies, que aliada a problemas silviculturas dificulta a elaboração de programas efetivos de melhoramento genético das espécies de interesse econômico da família. O presente trabalho visa contribuir para o entendimento do desenvolvimento floral na família Meliaceae, com destaque para sete espécies de interesse econômico e/ou ecológico: Cedrela fissilis L., Cedrela odorata L., Swietenia macrophylla R. A. King, Trichilia claussenii C. DC., Guarea guidonea (L.) Sleumer, Toona ciliata M. J. Roem e Melia azedarach L. Para os estudos morfo-anatômicos utilizaram-se técnicas de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Analisou-se igualmente o padrão de expressão de genes do modelo ABC, relacionados ao desenvolvimento floral, via hibridização in situ. Os estudos morfo-anatômicos permitiram caracterizar o desenvolvimento dos primórdios dos órgãos florais e o estabelecimento de estágios arbitrários de desenvolvimento, auxiliando na caracterização da expressão gênica. Estes resultados permitiram ainda a identificação de flores funcionalmente femininas ou masculinas em S. macrophylla C. fissilis, C. odorata e T. ciliata, as quais apresentam dimorfismo sexual. O padrão de expressão dos homólogos dos genes: APETALA1 (AP1), APETALA3 (AP3) e AGAMOUS (AG) foram diferentes daqueles previstos pelo modelo ABC. A expressão dos homólogos de AP1 foi verificada em todo o meristema floral nos estágios iniciais de desenvolvimento, em todas as espécies estudadas. O sinal de expressão concentrou-se nos primórdios das sépalas e pétalas em estágios mais avançados do desenvolvimento, porém um fraco sinal de hibridização de AP1 foi verificado em todos os verticilos. A expressão dos homólogos de AP3 foi verificada nas regiões previstas pelo modelo ABC, correspondentes ao segundo e terceiro verticilos. Porém um fraco sinal de AP3 foi também observado no quarto verticilo, o que não é previsto pelo modelo teórico. A expressão dos homólogos de AG foi restrita à região central do meristema floral, correspondente ao terceiro e quarto verticilos, em todos os estágios do desenvolvimento floral de todas as espécies estudadas. Entretanto, sinais adicionais de hibridização dos homólogos de AG foram visualizados na região abaxial dos primórdios de sépalas e pétalas em C. fissilis, C. odorata e T. ciliata. Os estudos da expressão dos genes do modelo ABC em Meliaceae revelaram padrões de expressão que não concordam com o modelo teórico vigente do controle molecular da determinação da identidade dos órgãos florais._________________________________________________________________________________________ ABSTRACT: The Meliaceae family comprises approximately 51 genus and 550 species mainly distributed in the Neotropical region. In this family there are many species of commercial interest for the production of noble wood. The lack of information on the floral biology associated with silvicultural problems limits the elaboration of effective breeding programs with species of economic interest. The present work aims to contribute with the understanding of floral development in Meliaceae, focusing in seven species of economical or ecological interest: Cedrela fissilis L., Cedrela odorata L., Swietenia macrophylla R. A. King, Trichilia claussenii C. DC., Guarea guidonea (L.) Sleumer, Toona ciliata M. J. Roem e Melia azedarach L. Morpho-anatomical analyses were done by light and scannning electron microscopy. The expression pattern of the ABC model genes, which are related to floral development, was analyzed by in situ hybridization. The characterization of the development of floral organ primordia and the establishment of arbitrary stages of floral development was done and was important for the characterization of gene expression. These results allowed for the identification of functionally female and male flowers in Swietenia macrophylla, Cedrela fissilis, Cedrela odorata and Toona ciliata, characterizing sexual dimorphism. The patterns of gene expression of the homologous of APETALA 1, APETALA 3 and AGAMOUS were different from those predicted by the ABC model. AP1 expression was observed in the entire floral meristem in the initial stages of development, in all seven species. The expression signal was more concentrated in sepal and petal primordia in further stages of development, although a weak hybridization signal of AP1 was verified in all four whorls. The expression of AP3 homologs was observed in the second and third whorls, as predicted by the ABC model. However, a weak signal of AP3 was also observed in the forth whorl, which was not predicted by the ABC model. AG homolog expression was restricted to the central region of the floral meristem, corresponding to the third and forth whorls, in all stages of development of all seven species. However, additional hybridization signal of AG homologs were seen in the abaxial region of sepal and petal primordia in Cedrela fissilis, Cedrela odorata and Toona ciliata. The analyses of the ABC model genes in Meliaceae revealed that the expression patterns do not agree with the theoretical currently accepted model that determines the molecular control of the identity of the floral organs.