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Genome composition and transposable element dynamics in triticeae, the use of chloroplast sequences to data divergence times and transcriptome analysis of transposable element expression


Middleton, Christopher. Genome composition and transposable element dynamics in triticeae, the use of chloroplast sequences to data divergence times and transcriptome analysis of transposable element expression. 2013, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

The tribe of Triticeae contains some of the most important crop species, these include Triticum aestivum (wheat), Hordeum vulgare (barley) and Secale cereale (rye). Using next generation sequencing we want to explore phylogeny, divergence times and expression of transposable elements. Next generation sequencing (NGS) was conducted on twelve Triticeae species to produce an approximate genome coverage of 2% for each of the species analysed. Even with the comparatively low genome coverage it was still possible to gain several insights into different aspects of each genome. In the first part the transposable element composition of the different genomes was analysed, as these repetitive elements form approximately 80% of the genome. By far the largest contributing factor to the genomes was found to be the long terminal repeat (LTR) Copia retrotransposon BARE1 which contributes between 10 and 13% of the total genomes. It was found that the abundance of different transposable element fam- ilies varied strongly between taxa, with some elements only being highly abundant in some taxa, but not in others. We also wanted to assess the nucleotide diversity of the BARE1 ele- ments in Triticeae. It was found that nucleotide diversity is higher in the outbreeding taxa than the inbreeding taxa. Furthermore our data suggests that geographic isolation leads to lower nucleotide diversity of the Angela element. Due to the high percentage of chloroplast reads in the samples, it was possible to assemble the chloroplast genome sequences of each of the taxa. This was used to produce a detailed phylogeny, estimate divergence times for each of the taxa and to identify Aegilops speltoides as the possible chloroplast genome donor of Triticum aestivum. Concise divergence times were estimated for each of the taxa, with Hordeum vulgare diverging from T. aestivum approx- imately 9 million years ago and the A, B and D genome donors of T. aestivum diverging within the last 3 million years. Transcriptome data of wheat infected with Blumeria graminis or Mycospharearella gramini- cola was investigated and revealed differences in expression patterns of a number of wheat transposable elements. Several elements were investigated at various time points during in- fection and this gave evidence that different transposable elements show different expression 1 patterns during the course of infection. Our data indicate that TEs show a wide variety of expression patterns, but also evidence for them being silenced by the host. 2 Die Gruppe der Triticeae umfasst einige der wichtigsten Getreidespezies der Welt, darunter Triticum aestivum (Weizen), Hordeum vulgare (Gerste) and Secale cereale (Roggen). Mit Hilfe von Next-Generation-Sequencing (NGS) wollten wir die Stammesgeschichte, die Zeiten der evolutionären Aufspaltung der spezies und die Expression von transposablen Elementen (TEs) untersuchen. NGS wurde an zwölf Tritceae-Species durchgeführt, was eine Abdeck- ung des Genoms von ca. 2% ermöglichte. Trotz mit dieser relativ geringen Abdeckung war es möglich wichtige Einblicke in verschiede Aspekte des Genoms zu gewinnen. Im ersten Teil des Projekts wurde die TE-Zusammensetzung der verschiedenen Genome analysiert, da diese Elemente etwa 80% des Genoms ausmachen. Mit Abstand am stärksten vertreten waren Long-Termin-Repeat (LTR) Retrotransposons der BARE1-Familie, welche zwischen 10% und 13% der Genome ausmachten. Wir entdeckten, dass die Beiträge der verschiede- nen TE-Familien zum Gesamtgenom sich zwischen den Spezies stark unterschieden. Einge TE-Familien waren stark vertreten in der einen Spezies während sie in einer anderen praktisch völlig abwesend sein konnten. Wir wollten auch die Sequenzdiversität der BARE1-Elemente im Genom quantifizieren und fanden, dass die Diversität geringer ist in Spezies die selbstbe- fruchtend sind. Ausserdem fanden wir Hinweise darauf, dass geografische Isolation zu gerin gerer Sequenzdiversität fhhren kann. Da die sequenzierten DNA-Extrakte viel Chloroplasten- DNA enthierten, konnten wir Chloroplasten-Genome für alle untersuchten Spezies zusammen setzen. Diese wurden dann verwendet, um eine genaue Stammesgeschichte abzuleiten und um die Zeiten der evolutionären Aufspaltung der einzelnen Triceae-Spezies zu berechnen. Wir konnten auch klar Zeigen, dass der Donor des B-genoms von T. aestivum ein naher Ver- wandter von Aegilops speltoides sein muss. Wir schätzten, dass sich H. vulgare vor ca. 9 Millionen Jahren von der Weizen/Roggen Linie abgespalten hat, wärend die Donoren der A- , B- und D-Genome von Weizen sich vor ca. 3 Millionen Jahren von einander abspalteten. Transkriptomdaten von Weizen, der mit Blumeria graminis und Mycosphaererella graminicola infiziert worden war brachte eine Vielfalt an Expressionsmustern in TEs and den Tag.

Abstract

The tribe of Triticeae contains some of the most important crop species, these include Triticum aestivum (wheat), Hordeum vulgare (barley) and Secale cereale (rye). Using next generation sequencing we want to explore phylogeny, divergence times and expression of transposable elements. Next generation sequencing (NGS) was conducted on twelve Triticeae species to produce an approximate genome coverage of 2% for each of the species analysed. Even with the comparatively low genome coverage it was still possible to gain several insights into different aspects of each genome. In the first part the transposable element composition of the different genomes was analysed, as these repetitive elements form approximately 80% of the genome. By far the largest contributing factor to the genomes was found to be the long terminal repeat (LTR) Copia retrotransposon BARE1 which contributes between 10 and 13% of the total genomes. It was found that the abundance of different transposable element fam- ilies varied strongly between taxa, with some elements only being highly abundant in some taxa, but not in others. We also wanted to assess the nucleotide diversity of the BARE1 ele- ments in Triticeae. It was found that nucleotide diversity is higher in the outbreeding taxa than the inbreeding taxa. Furthermore our data suggests that geographic isolation leads to lower nucleotide diversity of the Angela element. Due to the high percentage of chloroplast reads in the samples, it was possible to assemble the chloroplast genome sequences of each of the taxa. This was used to produce a detailed phylogeny, estimate divergence times for each of the taxa and to identify Aegilops speltoides as the possible chloroplast genome donor of Triticum aestivum. Concise divergence times were estimated for each of the taxa, with Hordeum vulgare diverging from T. aestivum approx- imately 9 million years ago and the A, B and D genome donors of T. aestivum diverging within the last 3 million years. Transcriptome data of wheat infected with Blumeria graminis or Mycospharearella gramini- cola was investigated and revealed differences in expression patterns of a number of wheat transposable elements. Several elements were investigated at various time points during in- fection and this gave evidence that different transposable elements show different expression 1 patterns during the course of infection. Our data indicate that TEs show a wide variety of expression patterns, but also evidence for them being silenced by the host. 2 Die Gruppe der Triticeae umfasst einige der wichtigsten Getreidespezies der Welt, darunter Triticum aestivum (Weizen), Hordeum vulgare (Gerste) and Secale cereale (Roggen). Mit Hilfe von Next-Generation-Sequencing (NGS) wollten wir die Stammesgeschichte, die Zeiten der evolutionären Aufspaltung der spezies und die Expression von transposablen Elementen (TEs) untersuchen. NGS wurde an zwölf Tritceae-Species durchgeführt, was eine Abdeck- ung des Genoms von ca. 2% ermöglichte. Trotz mit dieser relativ geringen Abdeckung war es möglich wichtige Einblicke in verschiede Aspekte des Genoms zu gewinnen. Im ersten Teil des Projekts wurde die TE-Zusammensetzung der verschiedenen Genome analysiert, da diese Elemente etwa 80% des Genoms ausmachen. Mit Abstand am stärksten vertreten waren Long-Termin-Repeat (LTR) Retrotransposons der BARE1-Familie, welche zwischen 10% und 13% der Genome ausmachten. Wir entdeckten, dass die Beiträge der verschiede- nen TE-Familien zum Gesamtgenom sich zwischen den Spezies stark unterschieden. Einge TE-Familien waren stark vertreten in der einen Spezies während sie in einer anderen praktisch völlig abwesend sein konnten. Wir wollten auch die Sequenzdiversität der BARE1-Elemente im Genom quantifizieren und fanden, dass die Diversität geringer ist in Spezies die selbstbe- fruchtend sind. Ausserdem fanden wir Hinweise darauf, dass geografische Isolation zu gerin gerer Sequenzdiversität fhhren kann. Da die sequenzierten DNA-Extrakte viel Chloroplasten- DNA enthierten, konnten wir Chloroplasten-Genome für alle untersuchten Spezies zusammen setzen. Diese wurden dann verwendet, um eine genaue Stammesgeschichte abzuleiten und um die Zeiten der evolutionären Aufspaltung der einzelnen Triceae-Spezies zu berechnen. Wir konnten auch klar Zeigen, dass der Donor des B-genoms von T. aestivum ein naher Ver- wandter von Aegilops speltoides sein muss. Wir schätzten, dass sich H. vulgare vor ca. 9 Millionen Jahren von der Weizen/Roggen Linie abgespalten hat, wärend die Donoren der A- , B- und D-Genome von Weizen sich vor ca. 3 Millionen Jahren von einander abspalteten. Transkriptomdaten von Weizen, der mit Blumeria graminis und Mycosphaererella graminicola infiziert worden war brachte eine Vielfalt an Expressionsmustern in TEs and den Tag.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Wicker T, Keller B, Dudler Robert
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Department of Plant and Microbial Biology
07 Faculty of Science > Zurich-Basel Plant Science Center
Dewey Decimal Classification:580 Plants (Botany)
Language:English
Date:2013
Deposited On:21 Jan 2014 15:16
Last Modified:24 Sep 2019 20:01
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod010150114&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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