From a phenotype to transcriptomics [Elektronische Ressource] : apomixis initiation in the genus Boechera / presented by Marie-Luise Voigt

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• Biologie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 28
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

From a Phenotype to Transcriptomics

Apomixis Initiation in the genuBso echera


















Dissertation

Submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Gemr any
for the degree of
Doctor of Natural Sciences























presented by

Diplom-Biologe Marie-Luise Voigt
Born in: Jena, Germany
Oral-examination:






-1-




From a Phenotype to Transcriptomics

Apomixis initiation in the genuBso echera
















Referees:
Prof. Dr. Marcus Koch
Dr. Timothy F. Sharbel







The research presented in this thesis was carried out at the research group
Apomixis at the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research
(IPK) Gatersleben, Germany.





Gatersleben, 2009


- 2 -Table of contents

0.1 Summary 4
0.2 Zusammenfassung 5


A General Introduction

1. Sexual and asexual reproduction in angiosperms 6
2. Apomixis 8
3. The genus Boechera (Brassicaceae) and Apomixis 12
4. Aims of the Dissertation 15
5. General Information for thesis 15
6. Literature Cited 21


B Phenotypic characterization

Chapter I 27
Gametogenesis in the apomicBtioce chera holboellii - complex:
The male perspective

Chapter II 49
Diploidv ersus triploid apomicts


C Transcriptomic study

Chapter III 93
Molecular signature of apomictic and sexual so v ule
in thBeo echera holboellii complex

Chapter IV 119
Apomixis Initiation Candidates



D Acknowledgements 148

E Contents supplementary material and raw data on tDhVeD included 1 4 9
in the thesis

F Eidesstattliche Erklärung 150
- 3 -
01. Summary

The North American genus Boechera provides a highly polymorphic source of natural
variation for studies on the regulation of apomictic development (asexual reproduction
via seed) .The aim of the research conducted was to qualify and quantify naturally-
occurring reproductive variation in apomictic and sexual accessions (genotypes), and to
further elucidate molecular factors responsible for the initiation of the first step in the
apomictic pathway, apomeiosis. Sexual reproduction is characterized by double
fertilization (i.e. a pair of sperm nuclei ferteil ibzoth the egg and central cell), whereby
apomictic plants produce seeds without fertilization of the egg cell (yielding maternal
genetic clones). In apomicticB oechera accessions the sexual pathway is altered for three
traits: i) formation of an unreduced embryo sac, ge.. through meiotically-unreduced
megaspore formation (apomeiosis), ii) development of an embryo from an unfertilidze
and unreduced egg cell (parthenogenesis), and iii) formation of functional endosperm
(embryo nourishing tissue), e.g. fertilization hoef btinucleate central cell (pseudogamy).
This type of apomixis is called “diplospory”.
In general, apomixis is correlated with polyploidy .The genus Boechera contains one of
the rare cases of diploid apomixis, and thus provides an ideal model whereby both diploid
and polyploid apomicts can be compared. We began b yexamining both pollen and seed
formation in a number of ecotypes in order to identify variation in the apomictic
phenotype. Both apomicts showed flexibility with regards to combinations of the
apomixis components, but diploid apomicts were chaarcterized by higher flexibility to
variant ploidy ratios in embryo : endosperm, which c an affect seed development. In
performing a comprehensive comparative study between reproduction traits of both
apomictic karyotypes, I show that most traits exhibit lineage-specificity rather than
correlations with ploidy. This could reflect the consequences of natural hybridization (we
tested independently-evolved apomictic lineages), hwere natural selection acts upon
novel variation in several traits to allow their establishment in specific niches, thus
obscuring the effects of ploidy on reproductive success.
The phenotypic data were used to select highly expressive diploid apomicts for a deep
transcriptomic comparison between microdissected live sexual and apomeiotic ovules.
This approach was taken to elucidate the first step in apomixis, apomeiosis, which is
proposed to be the key factor for stable apomixis expression in Boechera. Approximately,
4 000 differentially expressed mRNAs were identified between sexual and apomictic
ovules at the megaspore mother cell stage (MMC),e t hypothesised stage of apomeiosis
initiation, indicating : i) heterochronic expressnio of genes, ii) differential gene expression,
and iii) a parent-of origin effect. In a followinapg proach I preselected A. thaliana genes
and performed a sequence homology search between Arabidopsis thaliana and Boechera.
Identified sequences in Boechera were analysed with respect to their expression profiles
generated from a SuperSAGE (esrial analysis of gene expression) experiments. This study
demonstrated that apomixis in Boechera might be influenced by chromatin remodelling,
which could suppress or enhance gene transcription, and the cause for chromatin
remodelling could be the heterozygous (i.e. hybr isdta)te of apomictic Boechera.
This study yielded a set of promising apomixis initiation candidates, which could be used
as a first subset for confirmation and functional studies. These data furthermore give
deeper insight into the apomixis pathway and its complexity in the genus Boechera.
- 4 -
0.2 Zusammenfassung

Die nordamerikanische Gattung Boechera pflanzt sich entweder sexuell oder
asexuell fort. Das natürliche Auftreten unterschiedlicher Fortpflanzungswege macht sie zu
einem besonderem Model, um die Regulation des asexuellen Weges (bezeichnet als
„Apomixis“) zu studieren. Die sexuelle Fortpflanzung ist durch den Prozess der
Doppelbefruchtung (Eizelle und Zentralzelle werden jeweils durch ein Spermium
befruchtet) charakterisiert. Hingegen produzieren paomiktische Pflanzen den Samen
ohne die vorausgegangene Befruchtung der Eizelle (ide Nachkommen sind genetische
Klone). In apomiktischen Boechera Pflanzen wurde der sexuelle Prozess in drei
Komponenten verändert: 1) die Herausbildung eines nureduzierten Embryosacks, durch
die Umgehung der Meiose I während der Megasporenausbildung (apomeiosis), 2) die
parthenogenetische Entwicklung der Eizelle zum Embryo (parthenogenesis) und 3) die
Ausbildung von dazugehörigem Endospermgewebe durch Befruchtung der Zentralzelle
(pseudogamy). Diese Form der Apomixis wird alsD iplospory bezeichnet.
In der Natur wird eine auffällige Korrelation von Apomixis mit Polyploidie
vorgefunden. Die Gattung Boechera beherbergt den seltenen Umstand des gleichzeitigen
Vorkommens von diploiden und triploiden Apomikten, das sie zu einem idealen
Vergleichsmodel macht. Infolgedessen wurde die Poleln- und Samenausbildung von
unterschiedlichen Boechera Akzessionen untersucht, um Variationen im apomiktsichen
Verlauf zu identifizieren. In beiden Karyotypen wudre Flexibilität in der Ausprägung von
den drei Apomixiskomponenten festgestellt. Aber charakteristisch für diploide Apomikten
war die höhere Anpassungsfähigkeit in Veränderungen der Ploidiebeziehung von Embryo
und Endosperm. In einer umfassenden Studie, in deRr eproduktionsmerkmale verglichen
wurden, wurde vornehmlich eine Boechera Akzessionen-spezifische Ausprägung von
Merkmalen herausgefunden. Dies läst auf keinen Vorteil von Apomixis im Zusammenhang
mit Polyploidie schließen. Ein diskutierter Aspektk önnte die verfälschte Ausprägung der
Merkmale auf Grund von Hybridisierung und der einhergehenden natürlichen Selektion
auf neuartige Ausprägungen sein, die die Etablierung in Nischen ermöglicht.
Die phänotypischen Daten wurden genutzt um, für ei ne weitreichende
Transkriptomanalyse, stabile diploide apomiktischeP flanzen auszusuchen. Es wurden von
zwei sexuell diploiden und zwei apomiktisch diploiden Pflanzen Samenanlagen
herauspräpariert. Diese befanden sich am Eintritt zum Meioseprozess. Der Versuch wurde
angelegt um in einer Gen – Expressionsanalyse (SupreSAGE; Serial Analyse of Gene
Expression) molekulare Faktoren zu identifizieren, ide bei der Initiierung von Apomixis
(apomeiosis) von Bedeutung sind. In diesem Versuch wurden 4.00 0differentiell
exprimierte mRNAs zwischen den sexuellen und apomikti