O gênero Crotalaria possui aproximadamente 600 espécies descritas, localizadas principalmente nas regiões tropicais e subtropicais. Estas espécies estão classificadas em oito seções e nove subseções botânicas definidas principalmente com base em caracteres florais. Estas seções botânicas podem ser subdivididas em dois grupos principais: um de espécies com flores especializadas e outro de espécies sem especialização das flores. Estudos citogenéticos anteriores mostraram que as características cromossômicas são conservadas dentro de uma mesma seção ou subseção botânica e foi proposto que as espécies com especialização das flores teriam uma organização cromossômica diferente das espécies sem especialização das flores. Dentro deste contexto, foram descritos os cariótipos e a organização do genoma de três espécies e duas sinonímias, da seção Hedriocarpae, subseção Macrostachyae, com a utilização de coloração convencional dos cromossomos pelo método de Feulgen, de coloração com fluorocromos específicos às regiões cromossômicas ricas em GC ou AT e mapeamento físico por hibridação molecular in situ fluorescente (FISH) dos locos de DNA ribossômicos 45S e 5S. A obtenção de marcadores cromossômicos característicos para esta subseção e a construção de mapas citogenéticos possibilitaram a identificação de uma inversão pericêntrica, de eventos de transposição e da diferenciação na natureza das seqüências de DNA da heterocromatina pericentromérica, previamente descrita em espécies com flores especializadas como ricas em GC. Estes resultados revelaram alguns dos eventos citogenéticos ocorridos durante a diversificação do gênero, sendo que a subseção Macrostachyae é caracterizada por uma inversão no cromossomo 1 que pode ter uma origem antiga no gênero e que espécies sem especialização das flores, de fato possuem uma organização cromossômica distinta das espécies com flores especializadas, principalmente quanto à natureza das seqüências de DNA da heterocromatina pericentromérica. / Approximately 600 species of the Genus Crotalaria have been described, the majority is located in tropical and subtropical regions. These species are classified into eight botanical sections and nine subsections according to floral characteristics. The botanical sections can be divided into two major groups: one with species presenting flower specialization and the other without flower specialization. Previous cytogenetic studies showed that chromosomal features are conserved within the same botanical section or subsection, and it has been suggested that species with flower specialization have a different chromosomal organization from those species without flower specialization. In this context, the karyotypes and genome organization of five species (being three synonymy from the Hedriocarpae section, Macrostachyae subsection) were described by conventional chromosome staining using Feulgen, specific fluorochrome staining to GC or AT chromosomal rich regions and physical mapping by fluorescent in situ molecular hybridization of 45S and 5S ribosomal genes. The mapping of specific chromosome markers and construction of cytogenetic maps of this section have allowed us to identify a pericentric inversion, transposition events and a differentiation in the nature of DNA sequences of the pericentromeric heterochromatin, previously described as GC-rich in species with flower specialization. The results reveal diverse cytogenetic events that occurred during the genus diversification: the Macrostachyae subsection showed a pericentric inversion in the chromosome pair 1 (presumably of ancient origin) while species without flower specialization are characterized by a distinct chromosomal organization, mainly concerning the nature of DNA sequences of pericentromeric heterochromatin.

O gênero Crotalaria possui aproximadamente 600 espécies descritas, localizadas principalmente nas regiões tropicais e subtropicais. Estas espécies estão classificadas em oito seções e nove subseções botânicas definidas principalmente com base em caracteres florais. Estas seções botânicas podem ser subdivididas em dois grupos principais: um de espécies com flores especializadas e outro de espécies sem especialização das flores. Estudos citogenéticos anteriores mostraram que as características cromossômicas são conservadas dentro de uma mesma seção ou subseção botânica e foi proposto que as espécies com especialização das flores teriam uma organização cromossômica diferente das espécies sem especialização das flores. Dentro deste contexto, foram descritos os cariótipos e a organização do genoma de três espécies e duas sinonímias, da seção Hedriocarpae, subseção Macrostachyae, com a utilização de coloração convencional dos cromossomos pelo método de Feulgen, de coloração com fluorocromos específicos às regiões cromossômicas ricas em GC ou AT e mapeamento físico por hibridação molecular in situ fluorescente (FISH) dos locos de DNA ribossômicos 45S e 5S. A obtenção de marcadores cromossômicos característicos para esta subseção e a construção de mapas citogenéticos possibilitaram a identificação de uma inversão pericêntrica, de eventos de transposição e da diferenciação na natureza das seqüências de DNA da heterocromatina pericentromérica, previamente descrita em espécies com flores especializadas como ricas em GC. Estes resultados revelaram alguns dos eventos citogenéticos ocorridos durante a diversificação do gênero, sendo que a subseção Macrostachyae é caracterizada por uma inversão no cromossomo 1 que pode ter uma origem antiga no gênero e que espécies sem especialização das flores, de fato possuem uma organização cromossômica distinta das espécies com flores especializadas, principalmente quanto à natureza das seqüências de DNA da heterocromatina pericentromérica. / Approximately 600 species of the Genus Crotalaria have been described, the majority is located in tropical and subtropical regions. These species are classified into eight botanical sections and nine subsections according to floral characteristics. The botanical sections can be divided into two major groups: one with species presenting flower specialization and the other without flower specialization. Previous cytogenetic studies showed that chromosomal features are conserved within the same botanical section or subsection, and it has been suggested that species with flower specialization have a different chromosomal organization from those species without flower specialization. In this context, the karyotypes and genome organization of five species (being three synonymy from the Hedriocarpae section, Macrostachyae subsection) were described by conventional chromosome staining using Feulgen, specific fluorochrome staining to GC or AT chromosomal rich regions and physical mapping by fluorescent in situ molecular hybridization of 45S and 5S ribosomal genes. The mapping of specific chromosome markers and construction of cytogenetic maps of this section have allowed us to identify a pericentric inversion, transposition events and a differentiation in the nature of DNA sequences of the pericentromeric heterochromatin, previously described as GC-rich in species with flower specialization. The results reveal diverse cytogenetic events that occurred during the genus diversification: the Macrostachyae subsection showed a pericentric inversion in the chromosome pair 1 (presumably of ancient origin) while species without flower specialization are characterized by a distinct chromosomal organization, mainly concerning the nature of DNA sequences of pericentromeric heterochromatin.

O presente trabalho teve por objetivo compreender e analisar os mecanismos genéticos e epigenéticos da expressão diferencial de regiões organizadoras do nucléolo - RONs através do estudo de dois acessos (CRT-1 e CRT-2) de Crotalaria retusa. O acesso CRT-1 é uma cultivar, enquanto que o acesso CRT-2 é proveniente de uma população periférica da orla marítima de Ilhéus BA. Por serem temporalmente e espacialmente separados, acredita-se que os acessos foram submetidos a pressões seletivas diferentes, resultando em alterações dos padrões epigenéticos, principalmente nas RONs. Para o desenvolvimento deste trabalho foram realizadas medidas cromossômicas e nucleolares a partir de células coradas pelo método de Feulgen e por nitrato de prata, coloração com fluorocromos específicos às regiões cromossômicas ricas em nucleotídeos GC e AT, mapeamento físico dos locos de DNA ribossômico 45S por hibridação in situ fluorescente, análise qualitativa e quantitativa de modificações pós-traducionais de histonas por Western blot e eletroforese bidimensional de extrato protéico radicular com enfoque em proteínas envolvidas nos mecanismos epigenéticos. As análises citológicas demonstraram uma grande semelhança nos cariótipos dos dois acessos, diferindo apenas no tamanho do segmento proximal do braço curto do cromossomo 1. Em ambos os acessos foi observada uma expressão nucleolar diferencial em, aproximadamente, 50% das células; contudo, a expressão diferencial em CRT-2 apresentou-se consideravelmente maior. Além disso, os dois acessos demonstraram diferenças quantitativas nas modificações pós-traducionais de histonas e em proteínas possivelmente envolvidas em mecanismos epigenéticos. Uma vez que as variações epigenéticas podem ser modificadas por fatores ambientais, sugere-se que as diferenças nos padrões de modificações de histonas e nos perfis protéicos encontradas entre os acessos, como também a expressão diferencial mais expressiva em CRT-2, sejam devidas às diferentes pressões seletivas as quais as populações originais foram submetidas. O estudo dos mecanismos genéticos e epigenéticos na dominância nucleolar possibilita uma maior compreensão da ação do remodelamento da cromatina no controle da expressão gênica do rDNA, como também da expressão gênica em geral. / The aim of this present work was to understand and analyze the genetic and epigenetic mechanisms of differential expression of the nucleolus organizer regions - NORs through the study of two accesses (CRT-1 and CRT-2) of Crotalaria retusa. Access CRT-1 is a cultivar, while access CRT-2 is from a peripheral population of the shoreline of Ilhéus BA. Because they are temporally and spatially separated, it is believed that the accesses were submitted to different selective pressures, resulting in changes in epigenetic patterns, primarily in NORs. To develop this work, it was carried out chromosomal and nucleolar measurements from cell stained by Feulgen method and silver nitrate, staining with specific fluorochromes to chromosomal regions rich in GC and AT nucleotides, physical mapping of 45S ribosomal DNA loci by fluorescent in situ hybridization, qualitative and quantitative analysis of post-translational histone modifications by western blot, and two-dimensional electrophoresis of root extract protein focusing on proteins involved in epigenetic mechanisms. The cytological analysis showed a great similarity in karyotypes of two accessions, differing only in size of the proximal segment of the sort arm of chromosome 1. In both accesses, it was observed a differential nucleolar expression in approximately 50% of the cells; however, the differential expression in CRT-2 showed considerably larger. Furthermore, the two accesses showed quantitative differences in the posttranslational histone modifications, and in a protein possibly involved in epigenetic mechanisms. Since epigenetic variations can be modified by environmental factors, it is suggested that differences in patterns of histone modifications and protein profiles found between the accesses, but also the most significant differential expression in CRT-2, are due to different selective pressures to which the original populations were submitted. Studies of the epigenetic mechanisms in nucleolar dominance allows a better understanding of the action of the remodeling of chromatin in controlling the dosage of rRNA genes, but also in the control of gene expression in general.

O nucléolo é uma organela subnuclear formada pela atividade transcricional dos genes ribossomais 18S-5.8S-26S (rDNA 45S) e consequente biogênese dos ribossomos. A atividade destes genes resulta na região organizadora do nucléolo (NOR), na forma de uma constrição secundária em cromossomos metafásicos. As constrições secundárias se condensam progressivamente durante a mitose e se descondensam ao final da telófase quando a reestruturação do nucléolo se inicia. Genomas que apresentam mais de um locus de rDNA 45S deve apresentar, obrigatoriamente, pelo menos um par de NORs, enquanto os demais loci poderão ou não serem expressos. O controle da expressão dos genes ribossomais e a formação da cromatina nucleolar são modulados por eventos epigenéticos. Embora alguns pontos sobre o funcionamento dos genes ribossomais e a formação do nucléolo estejam bem estabelecidos, questões como o padrão de condensação da cromatina nucleolar durante a mitose, o padrão de funcionamento de sítios adicionais de genes ribossomais, o papel das modificações epigenéticas na dinâmica da cromatina nucleolar e na expressão do rDNA 45S e o mecanismo de herança dos genes ativos, permanecem abertas. A espécie Crotalaria juncea (Leguminosae-Papilionoideae), com 2n=2x=16 cromossomos, que possui um locus de rDNA 45S no braço curto do cromossomo 1, que sempre forma constrição secundária, e um sítio adicional com atividade facultativa no braço curto do cromossomo 4, é um excelente modelo para o estudo destas questões. No contexto apresentado, foram estudadas a dinâmica de condensação das NORs durante o ciclo celular e sua correlação com a atividade dos genes ribossomais, incluindo o locus adicional, e ainda o papel da metilação da citosina do DNA durante estes processos. Os resultados demonstram que a cromatina da região organizadora do nucléolo segrega em um estado descondensado durante a mitose, na forma de constrição secundária, ou seja, tal estrutura não se condensa durante a metáfase e não volta a se distender no início da telófase. Aparentemente, o que causa correlações equivocadas entre a atividade nucleolar e a observação morfológica da constrição secundária na metáfase é a contração forçada da cromatina da NOR causada por agentes antimitogênicos. Este modelo de segregação em um estado aberto pode ser explicado pela descrição de diversas proteínas que permanecem diretamente ligadas ou indiretamente associadas à região da NOR durante a mitose, funcionando como uma barreira física para a compactação. Ambos os sítios, principais e adicionais, do rDNA 45S presentes em Crotalaria juncea apresentam atividade transcricional, embora o locus do cromossomo 4 mostre atividade facultativa. Ao contrário do que foi anteriormente proposto, uma vez ativo, o locus adicional permanece descondensado durante todo o ciclo mitótico, seguindo o mesmo comportamento dos sítios principais. As constrições secundárias e a cromatina nucleolar são hipermetiladas em nível citológico, independentemente de sua atividade. A aparente hipometilação observada no rDNA 45S em cromossomos mitóticos e núcleos interfásicos se deve ao menor grau de compactação da região organizadora do nucléolo e, consequentemente, à baixa densidade de cromatina. / The nucleolus is a subnuclear organelle formed as a result of transcriptional activity of ribosomal RNA genes 18S-5.8S-26S (45S rDNA) and subsequent ribosome biogenesis. This activity forms the nucleolar organizing region (NOR) as a secondary constriction in metaphase chromosomes. The secondary constrictions progressively condense during mitosis and decondense at the end of telophase, when nucleoli start to reassemble. Genomes presenting more than one 45S rDNA locus must have at least one pair of NOR bearing chromosomes, while other loci may be expressed or not. Ribosomal gene expression and nucleolar chromatin assembly are modulated by specific epigenetic events. Although some topics related to rDNA gene activity and nucleolus formation are well understood, questions such as the behavior of nucleolar chromatin condensation during mitosis, standard functions associated with rDNA additional sites, role of epigenetic modifications in nucleolar chromatin and 45S rDNA expression processes, and inheritance mechanism of active genes, remain to be solved. Crotalaria juncea (Leguminosae - Papilionoideae) has 2n=2x=16 chromosomes and carries a 45S rDNA locus at the short arm of chromosome 1, always presenting a secondary constriction, and an additional site with facultative activity at the short arm of chromosome 4, being an excellent model to resolve these questions. Thus, this study aimed to study NOR condensation dynamics during the cell cycle and its correlation with ribosomal gene activity, including the additional locus, while analyzing the role of rDNA cytosine methylation during this process. The results show that NOR chromatin segregate in a decondensed way throughout mitosis, as a secondary constriction. In other words, this structure does not condense during metaphase and the NOR is not reassembled at the beginning of telophase. Misinterpretations relating nucleolar activity with morphological observations of secondary constrictions, appear to be induced by the artificial contraction of NOR chromatin caused by antimitotic drugs. This segregation model in an open state may be supported by strong diversity of proteins that are maintained attached to NORs during mitosis, serving as a physic barrier for condensation. Both principal and additional 45S rDNA sites of C. juncea are transcriptionally active, although the additional locus in chromosome 4 presented facultative activity depending upon ribosomal request. Unlike what was previously proposed, once the additional site is activated, it remains in an open configuration throughout the cell cycle, similarly to principal site behavior. Secondary constrictions and nucleolar chromatin are hypermethylated at cytological level, regardless of their activity. The seeming hipomethylated state of 45S rDNA in interphase nucleus and mitotic chromosomes is due to a lower compaction level of nucleolar organizing regions and subsequent low chromatin density.

O nucléolo é uma organela subnuclear formada pela atividade transcricional dos genes ribossomais 18S-5.8S-26S (rDNA 45S) e consequente biogênese dos ribossomos. A atividade destes genes resulta na região organizadora do nucléolo (NOR), na forma de uma constrição secundária em cromossomos metafásicos. As constrições secundárias se condensam progressivamente durante a mitose e se descondensam ao final da telófase quando a reestruturação do nucléolo se inicia. Genomas que apresentam mais de um locus de rDNA 45S deve apresentar, obrigatoriamente, pelo menos um par de NORs, enquanto os demais loci poderão ou não serem expressos. O controle da expressão dos genes ribossomais e a formação da cromatina nucleolar são modulados por eventos epigenéticos. Embora alguns pontos sobre o funcionamento dos genes ribossomais e a formação do nucléolo estejam bem estabelecidos, questões como o padrão de condensação da cromatina nucleolar durante a mitose, o padrão de funcionamento de sítios adicionais de genes ribossomais, o papel das modificações epigenéticas na dinâmica da cromatina nucleolar e na expressão do rDNA 45S e o mecanismo de herança dos genes ativos, permanecem abertas. A espécie Crotalaria juncea (Leguminosae-Papilionoideae), com 2n=2x=16 cromossomos, que possui um locus de rDNA 45S no braço curto do cromossomo 1, que sempre forma constrição secundária, e um sítio adicional com atividade facultativa no braço curto do cromossomo 4, é um excelente modelo para o estudo destas questões. No contexto apresentado, foram estudadas a dinâmica de condensação das NORs durante o ciclo celular e sua correlação com a atividade dos genes ribossomais, incluindo o locus adicional, e ainda o papel da metilação da citosina do DNA durante estes processos. Os resultados demonstram que a cromatina da região organizadora do nucléolo segrega em um estado descondensado durante a mitose, na forma de constrição secundária, ou seja, tal estrutura não se condensa durante a metáfase e não volta a se distender no início da telófase. Aparentemente, o que causa correlações equivocadas entre a atividade nucleolar e a observação morfológica da constrição secundária na metáfase é a contração forçada da cromatina da NOR causada por agentes antimitogênicos. Este modelo de segregação em um estado aberto pode ser explicado pela descrição de diversas proteínas que permanecem diretamente ligadas ou indiretamente associadas à região da NOR durante a mitose, funcionando como uma barreira física para a compactação. Ambos os sítios, principais e adicionais, do rDNA 45S presentes em Crotalaria juncea apresentam atividade transcricional, embora o locus do cromossomo 4 mostre atividade facultativa. Ao contrário do que foi anteriormente proposto, uma vez ativo, o locus adicional permanece descondensado durante todo o ciclo mitótico, seguindo o mesmo comportamento dos sítios principais. As constrições secundárias e a cromatina nucleolar são hipermetiladas em nível citológico, independentemente de sua atividade. A aparente hipometilação observada no rDNA 45S em cromossomos mitóticos e núcleos interfásicos se deve ao menor grau de compactação da região organizadora do nucléolo e, consequentemente, à baixa densidade de cromatina. / The nucleolus is a subnuclear organelle formed as a result of transcriptional activity of ribosomal RNA genes 18S-5.8S-26S (45S rDNA) and subsequent ribosome biogenesis. This activity forms the nucleolar organizing region (NOR) as a secondary constriction in metaphase chromosomes. The secondary constrictions progressively condense during mitosis and decondense at the end of telophase, when nucleoli start to reassemble. Genomes presenting more than one 45S rDNA locus must have at least one pair of NOR bearing chromosomes, while other loci may be expressed or not. Ribosomal gene expression and nucleolar chromatin assembly are modulated by specific epigenetic events. Although some topics related to rDNA gene activity and nucleolus formation are well understood, questions such as the behavior of nucleolar chromatin condensation during mitosis, standard functions associated with rDNA additional sites, role of epigenetic modifications in nucleolar chromatin and 45S rDNA expression processes, and inheritance mechanism of active genes, remain to be solved. Crotalaria juncea (Leguminosae - Papilionoideae) has 2n=2x=16 chromosomes and carries a 45S rDNA locus at the short arm of chromosome 1, always presenting a secondary constriction, and an additional site with facultative activity at the short arm of chromosome 4, being an excellent model to resolve these questions. Thus, this study aimed to study NOR condensation dynamics during the cell cycle and its correlation with ribosomal gene activity, including the additional locus, while analyzing the role of rDNA cytosine methylation during this process. The results show that NOR chromatin segregate in a decondensed way throughout mitosis, as a secondary constriction. In other words, this structure does not condense during metaphase and the NOR is not reassembled at the beginning of telophase. Misinterpretations relating nucleolar activity with morphological observations of secondary constrictions, appear to be induced by the artificial contraction of NOR chromatin caused by antimitotic drugs. This segregation model in an open state may be supported by strong diversity of proteins that are maintained attached to NORs during mitosis, serving as a physic barrier for condensation. Both principal and additional 45S rDNA sites of C. juncea are transcriptionally active, although the additional locus in chromosome 4 presented facultative activity depending upon ribosomal request. Unlike what was previously proposed, once the additional site is activated, it remains in an open configuration throughout the cell cycle, similarly to principal site behavior. Secondary constrictions and nucleolar chromatin are hypermethylated at cytological level, regardless of their activity. The seeming hipomethylated state of 45S rDNA in interphase nucleus and mitotic chromosomes is due to a lower compaction level of nucleolar organizing regions and subsequent low chromatin density.

O presente trabalho teve por objetivo compreender e analisar os mecanismos genéticos e epigenéticos da expressão diferencial de regiões organizadoras do nucléolo - RONs através do estudo de dois acessos (CRT-1 e CRT-2) de Crotalaria retusa. O acesso CRT-1 é uma cultivar, enquanto que o acesso CRT-2 é proveniente de uma população periférica da orla marítima de Ilhéus BA. Por serem temporalmente e espacialmente separados, acredita-se que os acessos foram submetidos a pressões seletivas diferentes, resultando em alterações dos padrões epigenéticos, principalmente nas RONs. Para o desenvolvimento deste trabalho foram realizadas medidas cromossômicas e nucleolares a partir de células coradas pelo método de Feulgen e por nitrato de prata, coloração com fluorocromos específicos às regiões cromossômicas ricas em nucleotídeos GC e AT, mapeamento físico dos locos de DNA ribossômico 45S por hibridação in situ fluorescente, análise qualitativa e quantitativa de modificações pós-traducionais de histonas por Western blot e eletroforese bidimensional de extrato protéico radicular com enfoque em proteínas envolvidas nos mecanismos epigenéticos. As análises citológicas demonstraram uma grande semelhança nos cariótipos dos dois acessos, diferindo apenas no tamanho do segmento proximal do braço curto do cromossomo 1. Em ambos os acessos foi observada uma expressão nucleolar diferencial em, aproximadamente, 50% das células; contudo, a expressão diferencial em CRT-2 apresentou-se consideravelmente maior. Além disso, os dois acessos demonstraram diferenças quantitativas nas modificações pós-traducionais de histonas e em proteínas possivelmente envolvidas em mecanismos epigenéticos. Uma vez que as variações epigenéticas podem ser modificadas por fatores ambientais, sugere-se que as diferenças nos padrões de modificações de histonas e nos perfis protéicos encontradas entre os acessos, como também a expressão diferencial mais expressiva em CRT-2, sejam devidas às diferentes pressões seletivas as quais as populações originais foram submetidas. O estudo dos mecanismos genéticos e epigenéticos na dominância nucleolar possibilita uma maior compreensão da ação do remodelamento da cromatina no controle da expressão gênica do rDNA, como também da expressão gênica em geral. / The aim of this present work was to understand and analyze the genetic and epigenetic mechanisms of differential expression of the nucleolus organizer regions - NORs through the study of two accesses (CRT-1 and CRT-2) of Crotalaria retusa. Access CRT-1 is a cultivar, while access CRT-2 is from a peripheral population of the shoreline of Ilhéus BA. Because they are temporally and spatially separated, it is believed that the accesses were submitted to different selective pressures, resulting in changes in epigenetic patterns, primarily in NORs. To develop this work, it was carried out chromosomal and nucleolar measurements from cell stained by Feulgen method and silver nitrate, staining with specific fluorochromes to chromosomal regions rich in GC and AT nucleotides, physical mapping of 45S ribosomal DNA loci by fluorescent in situ hybridization, qualitative and quantitative analysis of post-translational histone modifications by western blot, and two-dimensional electrophoresis of root extract protein focusing on proteins involved in epigenetic mechanisms. The cytological analysis showed a great similarity in karyotypes of two accessions, differing only in size of the proximal segment of the sort arm of chromosome 1. In both accesses, it was observed a differential nucleolar expression in approximately 50% of the cells; however, the differential expression in CRT-2 showed considerably larger. Furthermore, the two accesses showed quantitative differences in the posttranslational histone modifications, and in a protein possibly involved in epigenetic mechanisms. Since epigenetic variations can be modified by environmental factors, it is suggested that differences in patterns of histone modifications and protein profiles found between the accesses, but also the most significant differential expression in CRT-2, are due to different selective pressures to which the original populations were submitted. Studies of the epigenetic mechanisms in nucleolar dominance allows a better understanding of the action of the remodeling of chromatin in controlling the dosage of rRNA genes, but also in the control of gene expression in general.