Gracilariaceae is a worldwide distributed family that includes numerous economically important species. Currently, five genera are recognized in the Gracilariaceae: Gracilariophila (parasitic), Curdiea, Melanthalia, Gracilaria, and Gracilariopsis. Some species of Gracilaria were taxonomically transferred to Hydropuntia. However, this genus is quite controversial. High-throughput sequencing (HTS) techniques has led to an increase in studies using complete organellar genomes, which have been used to infer phylogenetic relationships in Rhodophyta and the investigation of other aspects of red algal genomes, including gene synteny and horizontal gene transfers (HGT). HTS also facilitated the search for extrachromosomal plasmids and its influence in the organellar genomes by HGT. We applied HTS to assemble and annotate organellar genomes (mitochondria and chloroplast) from seven species of Gracilariaceae using Illumina HiSeq 2500 platform. We also received raw reads of 31 samples of Gracilariaceae from Dr. Goia Lyra that were analysed and included in our work. We used these data, combined with published genomes, to infer phylogenies and compare the genome architecture of these species representing the main lineages in Gracilariaceae. The mitochondrial and chloroplast genomes were highly conserved in gene synteny among the species, and variation mainly occurred in regions where insertions of plasmid-derived sequences (PDSs) were found, which were similar to known red algae extrachromosomal plasmids. In mitochondrial genomes, the PDS insertions were in two regions where the transcription direction changes: between cob and trnL genes, and trnA and trnN genes. PDS insertions in chloroplast genome were in different positions, but generally found between psdD and rrs genes. The bacterial leuC/leuD operon was found in Gracilaria tenuistipitata, G. chilensis, M. intermedia chloroplasts genomes, and also in G. vermiculophylla extrachromosomal plasmid. Phylogenetic trees show two different origins of leuC/leuD: genes found in chloroplasts and plasmids were close to proteobacteria, and genes encoded in the nucleus are close to Viridiplantae and cyanobacteria. Gracilariaceae may be a good model to study the impact of PDS in genome evolution due to the frequent presence of these sequences inserted in organellar genomes. Our phylogenetic analyses demonstrated similar evolutionary histories between the chloroplast and mitochondrial genomes. However, chloroplast phylogeny was better resolved with full support. Our taxonomical sampling supports the presence of three main lineages: Melanthalia/Curdiea, Gracilariopsis and Gracilaria. Melanthalia intermedia was sister to a monophyletic clade including Gracilaria and Gracilariopsis, which were resolved as monophyletic genera. Furthermore, the characteristics of organellar genome architecture, Gracilariopsis and Gracilaria genera are also supported by the loss of the plastid gene petP in Gracilaria and the rearrangement position of the gene trnH in the mitochondrial genome. Beside this, we found no support for the genus Hydropuntia as originally proposed / A família Gracilariaceae está globalmente distribuída e inclui várias espécies economicamente importantes. Atualmente, cinco gêneros são reconhecidos em Gracilariaceae: Gracilariophila (parasita), Curdiea, Melanthalia, Gracilaria e Gracilariopsis. Algumas espécies de Gracilaria foram taxonomicamente transferidas para Hydropuntia. Entretanto, esse gênero é bastante controverso. Técnicas de sequenciamento de alta performance (HTS) levaram a um aumento de estudos usando genomas organelares completos, que têm sido usados para inferir relações filogenéticas em Rhodophyta e na investigação de outros aspectos dos genomas de algas vermelhas, incluindo sintenia gênica e transferências horizontal de genes (HGT). O HTS também facilitou a busca por plasmídeos extracromossômicos e sua influência nos genomas organelares por HGT. Nós utilizamos HTS para montar e anotar genomas organelares (mitocôndrias e cloroplastos) de sete espécies de Gracilariaceae usando a plataforma Illumina HiSeq 2500 e recebemos sequências de 31 amostras Gracilariaceae da Dr. Goia Lyra que foram montadas, anotadas e incluídas em nossas análises. Utilizamos esses dados, combinados com genomas publicados, para inferir filogenias e comparar a arquitetura do genoma dessas espécies representando as principais linhagens em Gracilariaceae. Os genomas mitocondrial e plastidial são altamente conservados na sintenia gênica e a variação ocorreu principalmente em regiões onde foram encontradas inserções de sequências derivadas de plasmídeos (PDS), similares aos plasmídeos extracromossômicos conhecidos de algas vermelhas. Nos genomas mitocondriais, as inserções de PDS estavam em duas regiões onde a direção da transcrição muda: entre os genes cob e trnL e os genes trnA e trnN. As inserções de PDS no genoma do cloroplasto estavam em posições diferentes, mas geralmente encontradas entre os genes psdD e rrs. O operon bacteriano leu/leuD foi encontrado nos genomas dos cloroplastos de Gracilaria tenuistipitata, G. chilensis, M. intermedia e também no plasmídeo de G. vermiculophylla. As árvores filogenéticas mostram duas origens diferentes de leuC/leuD: os genes encontrados no cloroplasto e no plasmídeo estavam próximos de proteobactérias, e os genes codificados no núcleo estavam próximos de Viridiplantae e cianobactérias. Gracilariaceae pode ser um bom modelo para estudar o impacto de PDS na evolução de genomas devido à presença frequente de inserções PDS em genomas organelares. Nossas análises filogenéticas demonstraram histórias evolutivas similares entre cloroplasto e mitocondria. No entanto, a filogenia de cloroplasto foi melhor resolvida com valores máximos de Bootstrap em todos os ramos. Nossa amostragem taxonômica corrobora a presença de três linhagens principais: Melanthalia/Curdiea, Gracilariopsis e Gracilaria. Melanthalia intermedia aparece como grupo-irmão do clado monofilético incluindo Gracilaria e Gracilariopsis, que foram resolvidos como gêneros monofiléticos. Além disso, baseado nas características da arquitetura do genoma organelar, os gêneros Gracilariopsis e Gracilaria se distinguem pela perda do gene plastidial petP em Gracilaria e pela posição de rearranjo do gene trnH no genoma mitocondrial. Nós não encontramos evidências para a permanencia o gênero Hydropuntia como originalmente proposto
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-13122018-145943 |
| Date | 14 September 2018 |
| Creators | Iha, Cíntia |
| Contributors | Oliveira, Mariana Cabral de |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Reter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais. |
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