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How to build a bivalve
lessons from gene expression and single-cell RNA sequencing analyses
David Andres Salamanca Diaz
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)
Betreuer*in
Andreas Wanninger
DOI
10.25365/thesis.71699
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22583.32157.327665-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Mollusken sind bekannt für ihre grosse morphologische Vielfalt, insbesondere in-nerhalb der Conchifera, jene der beiden Hauptlinien innerhalb des Tierstammes, welche von einem einschaligen Vorfahren abstammt und die Klassen Monoplacophora, Gastro-poda, Cephalopoda, Scaphopoda und Bivalvia umfasst. Für die meisten dieser Klassen, insbesondere der Bivalvia, sind molekuare Daten zur Entwicklung wesentlicher morpho-logischer Strukturen nur ansatzweise vorhanden. In dieser Dissertation untersuchte ich zunächst die Hox-Expression während der Entwicklung der Quagga-Muschel, Dreissena rostriformis, um herauszufinden, inwieweit sie zur Ontogenie bestimmter phänotypischer Merkmale beitragen. Hox-Gene sind wichtige Entwicklungsregulatoren, die eine Vielzahl an Aufgaben während der Entwicklung erfüllen. In Dreissena werden die Hox Gene zu-erst im Gastrulastadium in überlappenden Domänen exprimiert, die sich in Richtung kom-pakterer, größtenteils mesodermaler Domänen in der Trochophora-Larve verschieben. Der nicht-kollineare Modus der Hox-Expression bei Dreissena könnte auf den geringen Grad der Regionalisierung des Körpers entlang der anterior-posterioren Achse der Mu-scheln zurückzuführen sein, was durch das Fehlen wichtiger morphologischer Merkmale wie einem ausgeprägten Kopf, cephaler Tentakel, Radula-Apparat und ein vereinfachtes Nervensystems charakterisiert ist. In einer zweiten Studie wurden Einzelzell-Transkrip-tome im Trochophora-Stadium mittels single cell RNA Sequenzierung untersucht. Dadurch konnten distinkte Zellpopulationen basierend auf ihrem Genexpressionsprofil identifiziert werden. Um diese Zellpopulationen zu annotieren, wurden die der jeweiligen Cluster zugrunde liegenden Expressionsprofile untersucht und diese mit der Expression bekannter Genorthologe innerhalb der Lophotrochozoen verglichen. Gene, von denen erwartet wird, dass sie spezifisch für die Ausbildung bestimmter Gewebe bzw. Zelltypen verantwortlich sind, wie z. B. Prototrochzellen, Muskelzellen oder Nervenzellen, konnten hierbei auch im Trochophorastadium von Dreissena identifiziert werden. In der dritten Studie wurden jene Gene näher untersucht, die im Schalenfeld der Dreissena-Trocho-phora exprimiert werden. Hierbei wurde eine hohe Anzahl an Genen identifiziert, für die keine entsprechenden Orthologe innerhalb der Metazoa gefunden werden konnten. Ins-gesamt liefert diese Arbeit einen ersten molekularen Atlas der Entwicklungsprozesse, die der Entwicklung eines Vertreters der Bivalvia zugrunde liegt, und schafft damit eine we-sentliche Basis für weitere vergleichende Studien zur Evolution der morphologischen Diversität innerhalb der Mollusca.
Abstract
(Englisch)
Mollusks are known for their highly diverse repertoire of body plans especially in the Conchifera, one of the two major lineages that comprises those taxa that originated from a uni-shelled ancestor (Monoplacophora, Gastropoda, Cephalopoda, Scaphopoda, Bivalvia). For most clades, and bivalves in particular, data concerning the molecular basis essential to this morphological variation is scarce. In this thesis I initially investigated Hox expression during development of the quagga mussel, Dreissena rostriformis, to eluci-date to which degree they might contribute to specific phenotypic traits as in other con-chiferans. Hox genes are key developmental regulators that are involved in establishing morphological features during animal ontogeny. Hox expression in Dreissena is first de-tected in the gastrula with widely overlapping expression domains of most genes, shifting towards more compact, largely mesodermal domains in the trochophore larva. The non-collinear mode of Hox expression in Dreissena might be a result of the low degree of body plan regionalization along the bivalve anterior-posterior axis as exemplified by the lack of key morphological traits such as a distinct head, cephalic tentacles, radula apparatus, and a simplified central nervous system. Secondly, the transcriptional complexity of a larval stage from Dreissena were investigated. For this, we profiled single cell transcrip-tomes of distinct cell populations from the trochophore larva. To annotate these cell pop-ulations, gene sets underlying the clustering were examined and compared to expression data of their orthologs in other lophotrochozoans. Genes expected to be specific to certain tissues, such as prototrochal cells, muscle cells, among others, corroborate that the re-covered cell clusters reflect the larval body composition of our animal. In the third chapter we compared and analyzed genes expressed in the shell field. Our comparative gene analyses in this cluster indicate that there is a significant emergence of novel genes shap-ing the unique transcriptomic signatures of shell field cells from Dreissena. Alternating temporal expression dynamics of these genes suggests a possible independent evolu-tionary origin (and thus argue against ontogenetic homology) of the embryonic shell (pro-toconch I) and the larval shell (protoconch II). Altogether, this thesis provides a molecular atlas of developmental processes and tempo-spatial gene expression profiles underlying bivalve development that significantly expands our knowledge regarding the ontogenetic factors that drive molluscan morphological diversity.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Bivalvia Entwicklung Dreissena eco-evodevo Trochophor Zelltyp
Schlagwörter
(Englisch)
Bivalvia development Dreissena eco-evodevo trochophore cell type
Autor*innen
David Andres Salamanca Diaz
Haupttitel (Englisch)
How to build a bivalve
Hauptuntertitel (Englisch)
lessons from gene expression and single-cell RNA sequencing analyses
Paralleltitel (Deutsch)
Wie man eine Muschel baut
Paralleluntertitel (Deutsch)
Lehren aus der Genexpression und single-cell RNA-Sequenzierungsanalysen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
100 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Christoph Bleidorn ,
Neva Meyer
AC Nummer
AC16584404
Utheses ID
62612
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |