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Evolution of tandem repeats and pungency of capsicum (Solanaceae) species of the Pubescens clade
Laura Pflügl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Botany
Betreuer*in
Hanna Schneeweiss
DOI
10.25365/thesis.79355
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19548.82915.137557-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Gattung Capsicum (Solanaceae) umfasst 43 Arten, die in Süd- und Mittelamerika verbreitet sind. Fünf davon werden weltweit als wirtschaftlich wichtige Nutzpflanzen angebaut. Capsicum Arten sind für ihre einzigartige Schärfe bekannt, die auf das Vorhandensein sekundären Metaboliten, der Capsaicinoiden, zurückzuführen ist. Alle Paprika Arten sind ausschließlich diploid mit zwei bekannten Grundchromosomenzahlen, x = 12 und x = 13, und Genomgrößen, die bis um das Fünffache variieren. Diese Variation der Genomgröße spiegelt weitgehend Unterschiede in der Häufigkeit repetitiver DNA-Elemente wider. Diese Studie konzentriert sich auf Arten der Pubescens Klade (C. cardenasii, C. eshbaughii, C. eximium, Capsicum pubescens; x = 12) und zielt darauf ab, die Häufigkeit und chromosomale Verteilung kürzlich identifizierter Familien von Tandem-Wiederholungen (Satelliten DNAs) sowie ihre chemische Vielfalt, insbesondere den Gehalt und die Vielfalt an Capsaicinoiden, zu charakterisieren. Die Genomgrößen wurden mittels Durchflusszytometrie gemessen, und mehrere Familien schnell evolvierender Satelliten DNAs konnten mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) in den Chromosomen von drei Arten der Pubescens Klade nachgewiesen werden. Mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) wurde der Capsaicinoidgehalt quantifiziert, dabei wurden die Derivate (Nordihydrocapsaicin, Capsaicin, Dihydrocapsaicin) identifiziert und ihre Verhältnisse bestimmt. Diese Messungen wurden auch für die übrigen vier kultivierten Capsicum Arten (C. annuum, C. baccatum, C. chinense, C. frutescens) und mehrere wilde Taxa aus anderen Abstammungslinien durchgeführt. Die Genome der vier untersuchten Arten der Pubescens Klade waren alle von ähnlicher Größe. Die meisten Satelliten DNAs (CapSat1, CapSat4-6, CapSat8) kamen in allen analysierten Arten vor, während zwei (CapSat7, CapSat17) ausschließlich in C. pubescens vorkamen. Die meisten Satelliten DNAs zeigten artspezifische Amplifikationsmuster hinsichtlich der Anzahl und Lokalisierung der Loci. Phytochemische Analysen ergaben eine große Bandbreite an Schärfegraden, von nicht scharfen bis zu extrem scharfen Akzessionen. Alle kultivierten Taxa wiesen im Durchschnitt einen eher geringen Gesamtgehalt an Capsaicinoiden auf, wobei Capsaicin meist dominierte, allerdings wurden auch einzelne sehr scharfe Akzessionen festgestellt. Im Gegensatz dazu wiesen die wilden Arten insgesamt höhere Capsaicinoidwerte auf, wobei Dihydrocapsaicin den größten relativen Anteil hatte. Bei mehreren Akzessionen von Capsicum pubescescens wurde eine hohe intraspezifische Variation sowohl im Capsaicinoidgehalt als auch in den Anteilen der Derivate beobachtet, wobei in manchen Akzessionen einzelne Metabolite vollständig fehlten. Insgesamt liefern die Ergebnisse neue Erkenntnisse über die genomische Organisation und über die biochemische Vielfalt der Pubescens Klade. Die Studie trägt zur Etablierung chromosomaler Marker sowie zu einem besseren Verständnis der intra- und interspezifischen Variation der Capsaicinoidzusammensetzung und des Capsaicinoidgehalts in der Pubescens Klade bei.
Abstract
(Englisch)
The genus Capsicum (Solanaceae) comprises 43 species distributed in South and Middle America. Five species are cultivated worldwide as economically important crops. Capsicum species are known for their unique pungency resulting from the presence of secondary metabolites, capsaicinoids. All pepper species are exclusively diploid with two basic chromosome numbers known, x = 12 and x = 13, and genome sizes that vary nearly 5-fold. Such genome size variation largely reflects differences in the abundances of repetitive DNA elements. This study focuses on members of the Pubescens clade (C. cardenasii, C. eshbaughii, C. eximium, Capsicum pubescens; x = 12) and aims to characterize the abundance and chromosomal distribution of recently identified families of tandem repeats (satellite DNAs) as well as their chemical diversity, specifically capsaicinoids content and diversity. Genome sizes were measured using flow cytometry and several families of fast evolving satellite DNAs were mapped in chromosomes of three species of Pubescens clade using fluorescence in situ hybridization (FISH). High performance liquid chromatography (HPLC) was applied to quantify capsaicinoids content, identify their derivatives (nordihydrocapsaicin, capsaicin, dihydrocapsaicin) and determine their ratios. These measurements were also performed for the remaining four cultivated Capsicum species (C. annuum, C. baccatum, C. chinense, C. frutescens) and several wild taxa from other lineages. Genomes of the four analyzed species of the Pubescens clade were all of similar sizes. Most satellite DNAs (CapSat1, CapSat4-6, CapSat8) were shared by all analyzed species, whereas two (CapSat7, CapSat17) were present only in C. pubescens. Most satellite DNAs displayed species-specific amplification patterns concerning numbers and localization of loci. Phytochemical analyses revealed a wide range of pungency levels, from non-pungent to extremely pungent accessions. All cultivated taxa exhibited average rather low total capsaicinoid contents, albeit with some very pungent accessions, as well as greater proportions of capsaicin. In contrast, wild species had higher overall levels of capsaicinoids, albeit dominated by dihydrocapsaicin. High levels of intraspecific variation were observed among multiple accessions of Capsicum pubescens, concerning both capsaicinoid content and the ratios of the derivatives, with some accessions lacking individual compounds. Together, these findings provide novel insights into the genomic organization and biochemical diversity of the Pubescens clade. The study contributes to the establishment of chromosomal markers and to a better understanding of intra- and interspecific variation of capsaicinoid composition and content in the Pubescens clade.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
repetitive DNA Tandem Wiederholungen Satelliten DNA Capsicum FISH
Schlagwörter
(Englisch)
repetitive DNA tandem repeats satellite DNA Capsicum FISH pungency
Autor*innen
Laura Pflügl
Haupttitel (Englisch)
Evolution of tandem repeats and pungency of capsicum (Solanaceae) species of the Pubescens clade
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
79 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Hanna Schneeweiss
AC Nummer
AC17647969
Utheses ID
77837
Studienkennzahl
UA | 066 | 832 | |