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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Understanding polyploid genomes = insights on the organization and evolution of sugarcane genome = Compreendendo os genomas poliploides : 'insights' sobre a organização e evolução do genoma da cana-de-açúcar
Title Alternative: Compreendendo os genomas poliploides : 'insights' sobre a organização e evolução do genoma da cana-de-açúcar
Author: Vilela, Mariane de Mendonça, 1987-
Advisor: Vincentz, Michel Georges Albert, 1958-
Abstract: Resumo: A cana-de-açúcar é uma gramínea de importância econômica mundial, responsável por cerca de 80% da produção de açúcar do mundo. Além disso, é importante fonte de energia renovável, o que tem despertado interesse e investimentos visando melhor conhecer sua genética e fornecer subsídios para aumentar a eficiência dos programas de melhoramento. Sabe-se que a cana-de-açúcar possui um dos genomas de plantas mais complexos que se conhece. Suas cultivares (cv.), como é o caso da cv. R570, apresentam duas organizações cromossômicas distintas, sendo cerca de 80% do genoma originário da espécie 'Saccharum officinarum' (2n = 8x = 80) e 15-25% de 'Saccharum spontaneum' (2n = 5x a 16x = 40 a 128), incluindo certo grau de aneuploidia. Os genomas ancestrais são considerados autopoliploides e a meiose é considerada bivalente com herança polissômica. No entanto, os processos que moldaram os genomas do gênero 'Saccharum' e como esses genomas estão evoluindo são questões que ainda precisam ser mais bem definidas. Além disso, a regulação da expressão gênica neste contexto genômico tão redundante é ainda pouco compreendida. Por este motivo, o presente trabalho, que se encaixa em um esforço para sequenciar o genoma monoploide da cana-de-açúcar, teve como objetivo analisar três regiões genômicas da cv. R570 contendo genes provavelmente cópia única em cana-de-açúcar, os genes LFY ('Leafy'), PHYC ('Fitocromo C') e TOR ('Target of Rapamycin'). Vinte e sete BACs (Bacterial Artificial Chromosome), dez de LFY, sete de 'PHYC' e dez de 'TOR' foram sequenciados, montados, anotados e comparados entre si e com as regiões ortólogas de sorgo e arroz, resultando em sete haplótipos (possíveis versões homo/homeólogas) distintos de 'LFY', quatro de 'PHYC' e sete de 'TOR'. Os haplótipos dos três genes (possivelmente alelos) tiveram sua expressão avaliada e, juntamente com alguns elementos de transposição sintênicos, foram analisados quanto ao seu modo de evolução. Como esperado, as regiões genômicas da cana-de-açúcar apresentam elevado grau de conservação, quanto ao conteúdo e organização gênica, comparando-se com sorgo e arroz. No entanto, os BACs de R570 apresentaram de quatro até 15 elementos de transposição cada, enquanto nas outras espécies apenas um elemento foi identificado na região genômica de 'PHYC' de sorgo, indícios de uma amplificação de elementos de transposição no genoma da cana-de-açúcar. Os dados ainda sugerem que todos os haplótipos são funcionais, uma vez que todos estão sob seleção purificadora (dN/dS < 1), porém, não participam de maneira equivalente para a expressão do gene. Para os haplótipos de TOR foi possível identificar dois grupos filogenéticos, provavelmente representantes de 'S. officinarum' e 'S. spontaneum' e que teriam divergido entre 2,5 e 3,5 milhões de anos atrás. As análises também revelaram que pelo menos um evento de duplicação genômica ocorreu na linhagem que deu origem a' S. officinarum', após sua separação de 'S. spontaneum'. Estes resultados permitiram avançar no conhecimento sobre a história evolutiva do gênero Saccharum e de como as cultivares modernas de cana-de-açúcar organizam seu genoma e regulam a expressão dos vários haplótipos homo/homeólogos

Abstract: Sugarcane is a grass with global economic importance, responsible for about 80% of the world's sugar production. In addition, it is an important source of renewable energy, which has attracted attention and investments aiming to better understand its genetic and provide subsidies to increase the efficiency of breeding programs. Sugarcane has one of the most complex known plant genomes. Sugarcane cultivars (cv.), such as cv. R570, exhibit two distinct chromosomal organizations, being about 80% originated from 'Saccharum officinarum' (2n = 8x = 80) and 15-25% from 'Saccharum spontaneum' (2n = 5x to 16x = 40 to 128), including a certain degree of aneuploidy. The ancestor genomes are considered as autopolyploids and meiosis is considered bivalent with a polysomic inheritance. However, the processes that shaped the genus 'Saccharum' genomes and how these genomes are evolving and diverging are issues that still need to be better defined. Besides, the regulation of gene expression in this highly redundant genomic context is still poorly understood. For this reason, the present work, which fits in an effort to sequence sugarcane monoploid genome, aimed to analyze three genomic regions of cv. R570 containing probably single-copy genes in sugarcane, the genes LFY ('Leafy'), PHYC ('Phytochrome C') and TOR ('Target of Rapamycin'). Twenty-seven BACs (Bacterial Artificial Chromosome), ten of 'LFY', seven of 'PHYC' and ten of 'TOR', were sequenced, assembled, annotated and compared between themselves and with their sorghum and rice orthologous regions, resulting in seven distinct haplotypes (possible homo/homeologous versions) for 'LFY', four for 'PHYC' and seven for 'TOR'. The haplotypes (possibly alleles) expression for the three genes was evaluated and, with some syntenic transposable elements, the haplotypes were submitted to evolutionary analysis. As expected, the genomic regions of sugarcane have a high degree of conservation with sorghum and rice, regarding gene content and organization. However, sugarcane BACs carry from four to 15 transposable elements each, while, for the other species, only one element was identified in the PHYC genomic region of sorghum, evidence of an expansion of transposable elements in the sugarcane genome. The data also suggests that all the haplotypes are functional, once they are all under purifying selection (dN/dS < 1), however they do not participate equivalently to the gene expression. For TOR haplotypes it was possible to identify two phylogenetic groups, which diverged between 2,5 to 3,5 million years ago probably representing 'S. officinarum' and 'S. spontaneum'. The analysis also revealed that at least one genome duplication event occurred in the lineage that gave rise to 'S. officinarum', after its divergence from 'S. spontaneum'. These results bring advance in knowledge about the evolutionary history of the genus 'Saccharum' and how modern sugarcane cultivars organize their genome and regulate the expression of so many homo/homeologous haplotypes
Subject: Poliploide
Comparação genômica
Saccharum
Editor: [s.n.]
Citation: VILELA, Mariane de Mendonça. Understanding polyploid genomes: insights on the organization and evolution of sugarcane genome = Compreendendo os genomas poliploides : 'insights' sobre a organização e evolução do genoma da cana-de-açúcar. 2015. 1 recurso online (104 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/317166>. Acesso em: 28 ago. 2018.
Date Issue: 2015
Appears in Collections:IB - Tese e Dissertação

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