Detailansicht
Computational analysis of plastid DNA insertions into nuclear and mitochondrial genomes in non-photosynthetic parasitic plants from next generation sequencing data
Andreas Bachmayr
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Genetik und Entwicklungsbiologie
Betreuer*in
Thomas Rattei
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29189.25683.928266-1
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Entwicklung der Plastiden war von einer signifikanten Verkleinerung des Genoms des Cyanobakterien-ähnlichen Vorfahren begleitet. Ein großer Teil des Genoms dieses Vorfahrens war dabei bereits in einer frühen Phase der Plastidenevolution in den Nukleus transferiert worden. Transfers von den Plastiden geschehen jedoch nach wie vor und scheinen eine wichtige Rolle in der Pflanzenevolution zu spielen, durch die Übertragung funktionaler Gene von den Organellen oder durch die Erweiterung von Kern-Genen um neue Exons. Fragmente, die von den Plastiden ins Kerngenom übertragen wurden, werden als NUPTs bezeichnet, Fragmente die in die Mitochondrien gewandert sind, als MIPTs. NUPTs wurden bisher mit Hilfe von Sequenzähnlichkeit zwischen Plastidgenom und Kerngenom untersucht. Sequenzierte Kerngenome sind jedoch nur für relativ wenige Pflanzenspezies verfügbar, da die Assemblierung von Pflanzengenomen äußerst herausfordernd ist. In dieser Arbeit werden Next-Generation Sequencing Daten von drei parasitären und einer autotrophen Spezies der Pflanzenfamilie Orobanchaceae benutzt, um die Reproduzierbarkeit eines Workflows zu zeigen, der die Extraktion von NUPT- und MIPT-Sequenzen ohne verfügbares Kerngenom ermöglicht. Basierend auf diesem Workflow wird ein Ansatz für die Rekonstruktion von NUPTs/MIPTs eingeführt, dessen Ergebnisse die Fragmentierung von NUPTs/MIPTs im Laufe der Evolution zeigen. Ein weiterer Workflow, für die Detektion von Sequenzen die in den Nukleus transferiert und daraufhin aus den Plastomen der holoparasitären Spezies Phelipanche ramosa und Orobanche crenata verschwunden sind, wird demonstriert. Der Unterschied in der Menge der verlorenen NUPTs/MIPTs zwischen den beiden Holoparasiten entspricht annähernd dem Größenunterschied der reduzierten Plastidsequenzen. In einem zweiten Schritt trennt dieser Workflow NUPTs und MIPTs, wobei der relative Anteil an MIPTs mit der Größe des mitochondrialen Genoms zu steigen scheint. Überdies wird durch einen dritten Workflow die Extraktion von NUMTs, Transfers vom Mitochondrium zum Kerngenom, ermöglicht. Ein darauffolgender Vergleich der Transferdynamik der Plastiden und der Mitochondrien zeigt die erhöhte Instabilität der Plastiden der beiden holoparasitären Spezies. In einem letzten Schritt werden autochthone Sequenzen des Kerngenoms extrahiert und über die Detektion eines niedrigereren Grads an Sequenzduplikationen verifiziert. Der Quellcode für
die Workflows steht in einem Supplement Ordner zur Verfügung.
Abstract
(Englisch)
The development of plastids was accompanied by a significant reduction of the genome of the cyanobacteria-like ancestor. A large part of the genome of this ancestor has been transferred to the nucleus early on in plastid evolution. Transfers from the plastid have not stopped, however, and appear to play an important role in the evolution of plants, providing functionally transferred organelle genes or novel exons for nuclear genes. Fragments in the nuclear genome that originated from the plastid have been termed NUPTs, while fragments in the mitochondrial genome have been termed MIPTs. NUPTs have been studied so far by performing sequence similarity searches between the plastid chromosome and the nuclear genome of the respective plant. Nuclear genome drafts are only available for relatively few species, however, because the assembly of a plant genome is highly challenging. In this thesis, next-generation sequencing data of three parasitic and one autotrophic species of the plant family Orobanchaceae is used to demonstrate the robustness and reproducibility of a workflow for the detection and extraction of NUPT and MIPT sequences without an available nuclear genome sequence. Then, based on the results of this initial workflow, a novel approach for the reconstruction of NUPTs/MIPTs is introduced, showing the increasing fragmentation of NUPTs/MIPTs over the course of evolution. In addition, a bioinformatic workflow for the detection of sequences that have been transferred to the nucleus and lost from the reduced plastomes of the two holoparasitic species Phelipanche ramosa and Orobanche crenata is demonstrated. The difference in the amount of detected lost NUPTs/MIPTs between the two holoparasites roughly corresponds to the size difference of their reduced plastid genomes. In a second step, this workflow separates NUPTs and MIPTs. The relative amount of MIPTs among all transfers from the plastid appears to increase with the size of the mitochondrial genome of the respective species. Another workflow allows the extraction of NUMTs, transfers from the mitochondrion to the nucleus, and subsequent comparison of the transfer dynamics of the plastids and mitochondria of each species, showing the increased instability of the plastids for the holoparasitic species. In a final step, the autochthonous nuclear reads are extracted and verified by detection of lowered sequence duplication levels. The source code for the workflows is provided in a supplement folder.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
NUPTs MIPTs plastid Orobanchaceae next generation sequencing
Schlagwörter
(Deutsch)
NUPTs MIPTs Plastid Orobanchaceae Next Generation Sequencing
Autor*innen
Andreas Bachmayr
Haupttitel (Englisch)
Computational analysis of plastid DNA insertions into nuclear and mitochondrial genomes in non-photosynthetic parasitic plants from next generation sequencing data
Paralleltitel (Deutsch)
Computergestützte Analyse von Plastid DNA Insertionen in nukleären und mitochondrialen Genomen nicht-photosynthetischer parasitärer Pflanzen mittels Next Generation Sequencing Daten
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
ii, 64 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Rattei
Klassifikation
42 Biologie > 42.99 Biologie: Sonstiges
AC Nummer
AC13082024
Utheses ID
36505
Studienkennzahl
UA | 066 | 877 | |