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Transcriptomic drivers of plant adaptation to the desert in Nicotiana sect. Suaveolentes (Solanaceae)
Linus Moser
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Botanik
Betreuer*in
Ovidiu Paun
DOI
10.25365/thesis.75319
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12785.03655.219174-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die paleopolyploide Nicotiana Sektion Suaveolentes entstand vor ungefähr 6 Millionen Jahren in Südamerika. Nachdem sie Australien erreichte, diversifizierte sich die Gruppe zu der artenreichsten Sektion innerhalb der Gattung Nicotiana. In humiden Küstenregionen Australiens sind heute hauptsächlich Arten mit der ursprünglichen Chromosomenzahl n = 24 zu finden, während die Besiedlung des ariden Zentrums vor ca. 2 Millionen Jahren mit einer graduellen Chromosomenreduktion in mindestens vier Kladen einher ging. Auffällig ist, dass die Arten, mit den niedrigsten Chromosomenzahlen (n = 15, 16, 18 oder 19) ungeschützt in der offenen Wüste wachsen, während nahverwandte Arten mit höheren Chromosomenzahlen auf geschützte Habitate beschränkt sind. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, molekulare Mechanismen aufzuzeigen, die die Anpassung an extreme Lebensräume ermöglichen. Außerdem wird versucht, einen Zusammenhang zwischen diesen Anpassungen und dem Diploidisierungs-Prozess aufzuzeigen. Dazu wurden zwei Paare von Schwesterarten mit gegensätzlichen Chromosomenzahlen und Habitatpräferenzen, künstlichem Trockenstress ausgesetzt. Die mRNA-Profile während der Dürre-Erholung nach anschließender Wiederbewässerung in Blatt- und Wurzelgewebe wurden mithilfe von RNA-seq erfasst. Daraus resultierende “Illumina reads” wurden auf dem Referenzgenom von N. benthamiana angeordnet, um Expressionsmuster von gestressten (Drought) mit denen von regelmäßig gegossenen (Control) Pflanzen für jeder Art zu vergleichen, wodurch differentiell exprimierte Gene (DEGs) identifiziert werden konnten. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Analyse von Blattproben einer Artengruppe. Für die anfällige Art N. excelsior (n = 20) wurden 458 signifikante DEGs identifiziert, während die an Trockenheit angepasste N. truncata (n = 18) 670 DEGs zeigte. Die Verteilung dieser Gene wurde auf dem Referenzgenom kartiert, um potenzielle Kopplungsgruppen zu identifizieren. Schließlich zeigte eine “Gene Ontology (GO)" Analyse, dass Gene im Zusammenhang mit Phytohormonen, biotischer Abwehr und Zellwand Organisation in N. excelsior hochreguliert und in N. truncata herunterreguliert waren. Diese Ergebnisse deuten, trotz Wiederbewässerung auf eine anhaltende Stressreaktion und mögliche irreversible Schäden bei N. excelsior hin. Im Gegensatz dazu, legen die Ergebnisse für N. truncata eine schnelle Erholung nahe, die möglicherweise erforderlich ist, um vom seltenen und unvorhersehbaren Regen in offenen Wüstenhabitaten zu profitieren.
Abstract
(Englisch)
The paleopolyploid Nicotiana sect. Suaveolentes emerged approximately 6 million years ago (mya) in South America, from where it reached Australia via long distance dispersal. There it underwent extensive radiation, becoming the most diverse section within Nicotiana. The ancestral chromosome count of the section is n = 24, which is encountered in species inhabiting humid coastal environments. The colonization of the arid interior of the continent, which occurred only about 2 mya, was accompanied by independent gradual chromosome reduction in at least four clades. Notably, species in open desert environments exhibit the lowest chromosome numbers (n = 15, 16, 18, or 19), while closely related species in protected areas display higher chromosome numbers. This thesis aims to start to identify the molecular basis of the adaptation to extreme habitats and explore possible links to diploidization. To achieve this, two pairs of sister species with contrasting chromosome numbers and habitat preferences were exposed to artificial drought conditions. Messenger-RNA profiles during drought recovery after subsequent rewatering in leaf and root tissues were captured using RNA-seq. Resulting Illumina reads were mapped against a high-quality reference genome for N. benthamiana, another member of sect. Suaveolentes. Gene expression levels of drought-exposed plants were compared to those of well-watered (control) plants for each species to determine differentially expressed genes (DEGs). This thesis focused on the analysis of leaf samples from one species pair. For the drought susceptible N. excelsior (n = 20) 458 significant DEGs were identified, whereas the drought adapted N. truncata (n = 18) yielded 670 DEGs. The distribution of candidate genes was mapped on the reference genome, to reveal potential clustering that would indicate linkage groups of drought-adapted genes. Finally, a gene ontology (GO) enrichment analysis based on DEGs, revealed similar pathways to be overrepresented in both species, but many of them show regulation in opposite direction. Among others, pathways related to phytohormone signaling, biotic defense and cell-wall organization were upregulated in N. excelsior and downregulated in N. truncata. Pathways related to storage metabolites and photosynthesis were mutually downregulated. These results indicate persistent stress response even after rewatering and potential irreversible damage in N. excelsior. In contrast, the results for N. truncata suggest a fast recovery, which might be required to take advantage of rare and unpredictable rainfall.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nicotiana sekt. Suaveolentes RNA-seq Trockenstress Erholung Genom evolution
Schlagwörter
(Englisch)
Nicotiana sect. Suaveolentes RNA-seq Drought stress Recovery Genome evolution
Autor*innen
Linus Moser
Haupttitel (Englisch)
Transcriptomic drivers of plant adaptation to the desert in Nicotiana sect. Suaveolentes (Solanaceae)
Paralleltitel (Deutsch)
Transkriptomische Treiber der Pflanzenanpassung an die Wüste in Nicotiana Sekt. Suaveolentes (Solanaceae)
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
55 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Ovidiu Paun
AC Nummer
AC17092014
Utheses ID
70246
Studienkennzahl
UA | 066 | 832 | |