Despite the advances in modern technology, unraveling the genome evolution of an organism or even groups of several species remains a challenging task. Up-to-date cytogenetics and computational approaches enable the investigation of genomes from the nucleotide sequence up to the chromosomes, yet, drawing conclusions about evolutionary and mechanistic processes remains far from being trivial.
The crop sugar beet (<i>Beta vulgaris</i> subsp. <i>vulgaris</i>) and its wild relatives form a well-suited group of plants (members of the Amaranthaceae family) to demonstrate the possibilities and limits that both, cytological and computational genomics, possess in addressing open questions on the genome in a phylogenetic context and in all its conformations: from its organization in chromosomes right down to the loss and gain of genes and the composition of repetitive DNA sequences.
Since the two beet genera <i>Beta</i> and <i>Patellifolia</i> comprise diploid as well as polyploid species, genomic variability between them is not only based on DNA sequence differences, but on changes in the chromosome number as well. In the frame of this work, using microscopic approaches (outlined in chapter II), it was determined that all beets share a base chromosome number of x = 9. Differing properties between cultivated and wild beet accessions are the result of polyploidization and changes in the DNA sequence rather than a restructuring of the chromosomes.
In chapter III, the focus is on the tetraploid wild beet <i>Beta corolliflora</i>, whose polyploidization likely led to the development of many tolerances against adverse environmental conditions. Since its ancestry remained unresolved for a long time, five different bioinformatics tools have been developed and complemented with cytogenetics to unravel its parental relationships. As an ‘autopolyploid’ hybrid descending from closely related <i>Beta macrorhiza</i> accessions, <i>B. corolliflora</i> occupies an intermediate position within the spectrum of auto- to allopolyploidy.
Today’s breeding endeavors aim for the (re-)introduction of genes from wild beet into cultivated beet accessions to improve crop species in the face of changing cultivation conditions. Yet, such efforts are impeded due to crossing barriers, reflected in the separation of the beet species into three distinct gene pools. Chapter IV aims to identify repetitive DNA sequences that may be involved in speciation and formation of these gene pools. For this, genome data has been generated for a panel of 17 different beet accessions and was analyzed bioinformatically as well as experimentally, using long and short read technology, fluorescent <i>in situ</i> and Southern hybridization. The overall repeat content was found to correlate with the beet genome sizes and whereas some repeats are well conserved among the beet species, the specificity of others mirrors the split into the three beet gene pools. Satellite DNAs in particular vary considerably between beet genomes, leading to the evolution of distinct chromosomal setups in the three gene pools with uniform centromeres in the primary and tertiary gene pool and patchwork centromeres in the secondary gene pool, likely contributing to the barriers in beet breeding. Furthermore, endogenous sequences of viral origin were also detected in all beet genomes with specific elements for the different beet gene pools. As for <i>B. vulgaris</i>, these endogenous pararetroviruses were found to contribute to the host’s defense against other (putatively harmful) viruses (chapter V).
In summary, this thesis demonstrates the synergistic potential of integrating computational and cytological genomics for a comprehensive genome analysis of beets that can be transferred to any other species panel. Combining both approaches enables to unlock a deeper understanding of the genetic makeup and evolution of the species of interest, in particular with regard to the impact of repetitive elements. / Trotz des technologischen Fortschritts bleibt die Entschlüsselung der Evolution eines Genoms oder gar der Genome mehrerer Arten eine anspruchsvolle Aufgabe. Moderne zytogenetische und computergestützte Ansätze ermöglichen die Untersuchung von Genomen von der Nukleotidsequenz bis hin zu den Chromosomen. Trotzdem ist es alles andere als trivial, daraus Rückschlüsse auf evolutionäre und mechanistische Prozesse zu ziehen.
Die Zuckerrübe (<i>Beta vulgaris</i> subsp. <i>vulgaris</i>) und ihre wilden Verwandten stellen eine Pflanzengruppe aus der Familie der Amaranthaceae dar, die sich gut dafür eignet, Möglichkeiten und Grenzen der zytologischen sowie computergestützten Genomik aufzuzeigen. Bei der Beantwortung offener Fragen zum Genom in einem phylogenetischen Kontext werden dabei all seine Ausprägungen in Betracht gezogen: von der Genomorganisation in Chromosomen bis hin zum Verlust und Erhalt von Genen und der Zusammensetzung repetitiver DNA-Sequenzen.
Da die beiden Rübengattungen <i>Beta</i> und <i>Patellifolia</i> sowohl diploide als auch polyploide Arten umfassen, beruht die genomische Variabilität zwischen den Rübengenomen nicht nur auf Unterschieden in der DNA-Sequenz, sondern auch auf Veränderungen in der Chromosomenzahl. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe mikroskopischer Methoden (siehe Kapitel II) festgestellt, dass alle Rüben eine Basischromosomenzahl von n = 9 aufweisen. Unterschiedliche Eigenschaften zwischen kultivierten und wilden Rüben-Akzessionen sind das Ergebnis von Polyploidisierung und Veränderungen in der DNA-Sequenz und nicht von chromosomalen Umstrukturierungen.
In Kapitel III liegt der Fokus auf der tetraploiden Wildrübe <i>Beta corolliflora</i>, deren Polyploidisierung wahrscheinlich zahlreiche Toleranzen gegenüber widrigen Umweltbedingungen bedingt. Da ihre Abstammung lange Zeit ungeklärt blieb, wurden fünf verschiedene bioinformatische Methoden entwickelt und zytogenetisch komplementiert, um die Elternspezies zu entschlüsseln. So handelt es sich bei <i>B. corolliflora</i> wahrscheinlich um eine „autopolyploide“ Hybride, die von eng verwandten <i>Beta macrorhiza</i>-Akzessionen abstammt und eine Zwischenform im Spektrum der Polyploidie darstellt.
Heutige Züchtungsansätze zielen auf die (Wieder-)Einführung von Genen aus Wildrüben in kultivierte Rübensorten ab, um die Kulturarten angesichts der sich ändernden Anbaubedingungen widerstandsfähiger und/oder ertragreicher zu machen. Solche Bemühungen werden jedoch durch Kreuzungsbarrieren eingeschränkt, die sich in der Gruppierung der Rübenarten in drei verschiedene Genpools widerspiegeln. Kapitel IV zielt darauf ab, repetitive DNA-Sequenzen zu identifizieren, die möglicherweise an Adaption und Artbildung beteiligt sind. Genomdaten wurden für 17 verschiedene Rüben-Akzessionen generiert und sowohl bioinformatisch als auch experimentell mittels Fluoreszenz-<i>in situ</i>- und Southern-Hybridisierung analysiert. Der Gesamtgehalt an repetitiven DNA-Sequenzen korreliert mit der Genomgröße der Rübenakzessionen. Während einige repetitive DNA-Sequenzen zwischen den Rübenarten konserviert sind, spiegelt die Spezifität anderer die Aufteilung in die drei Rübengenpools wider. Insbesondere die Satelliten-DNA variiert beträchtlich zwischen den Rübengenomen, was zur Entwicklung unterschiedlicher chromosomaler Strukturen in den drei Genpools geführt hat: Der primäre und tertiäre Genpool sind hierbei durch einheitlichen Zentromere gekennzeichnet, während sich der sekundäre Genpool durch eine individuelle Zentromerzusammensetzung auszeichnet, die von Chromosom zu Chromosom verschieden sein kann. Dies trägt wahrscheinlich zu den Hindernissen im Zuge der Rübenzucht bei. Außerdem wurden in allen Rübengenomen endogene Sequenzen viralen Ursprungs nachgewiesen, die für die verschiedenen Rübengenpools spezifisch sind. Für <i>B. vulgaris</i> wurde festgestellt, dass diese endogenen Pararetroviren zur Verteidigung gegen andere (ggf. schädliche) Viren beitragen (Kapitel V).
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit das synergistische Potenzial einer Integration der computergestützten und zytologischen Genomik für eine umfassende Genomanalyse von Rüben auf, die auf jedes andere Artenpanel übertragen werden kann. Die Kombination beider Ansätze ermöglicht ein tieferes Verständnis des Genoms und der Evolution der betreffenden Art, insbesondere in Hinblick auf den Einfluss repetitiver DNA-Sequenzen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:93411 |
| Date | 23 September 2024 |
| Creators | Schmidt, Nicola |
| Contributors | Neinhuis, Christoph, Weisshaar, Bernd, Heitkam, Tony, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1007/978-1-0716-3226-0_8, 10.1101/2023.06.28.546919, 10.1111/tpj.16599, 10.1093/aob/mcab042, info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministerium für Bildung und Forschung/Epigenetics/031B1221A//EpicBeet |
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