Meióza je děj, který je funkčně konzervován přes celou říši eukaryot. Neočekává se tedy, že se bude měnit mezi druhy, natož mezi liniemi uvnitř jediného druhu. Studie z nedávné doby ale ukázaly, že tomu tak není u druhu Arabidopsis arenosa. Pomocí genomických skenů bylo zjištěno značné rozrůznění meiózních genů mezi diploidní a tetraploidní linií tohoto druhu, které bylo vysvětleno jako přizpůsobení meiózy k zdvojnásobení genomu u tetraploidní linie. Navíc bylo jisté rozrůznění patrné i mezi dvěma diploidními liniemi tohoto druhu. V předložené práci se proto zabývám rozborem vlivu pozitivní selekce na meiózní proteiny na úrovni populací a linií. Ukázala jsem, že pozitivní selekce působí na meiózní proteiny ve všech diploidních liniích, především však v linii z Panonské oblasti a z Jihovýchodních Karpat. Pozitivní selekce, kterou jsem pozorovala u diploidních linií ukazuje, že se meióza mohla na vnitrodruhové úrovni vyvíjet různými způsoby. Mohla tak odpovídat na nutnost lokální adaptace, nejspíš k rozdílné teplotě. Nejvíce aminokyselin, na které působila selekce, jsem detekovala v tetraploidní linii, což bylo v souladu s předchozími výsledky genomických skenů. Vzhledem k tomu, že některé interagující meiózní proteiny byly selektovány společně v jedné linii, se domnívám, že byly v procesu koevoluce, který mohla způsobit jejich fyzická a/nebo funkční blízkost. Selektované aminokyseliny se často vyskytovaly v proteinech, na které celkově působila pozitivní selekce, kterou jsem detekovala jako zvýšený poměr záměn aminokyselin vůči neutrálním záměnám nukleotidů. Navíc se selektované aminokyseliny často vyskytovaly na místech s nízkou shodností s ortologními místy u jiných vyšších rostlin, tedy na místech, která nebyla v evoluci konzervována. Napříč liniemi jsem nezjistila žádné ztráty ani zisky start a stop kodonů, což naznačuje, že tato místa byla pod silnou negativní selekcí. Na závěr jsem experimentálně ukázala, že se životaschopnost pylu měnila v odpovědi na různé teploty u odlišných linií, což poukazovalo na možnou lokální adaptaci meiózy k teplotě. Celkově moje práce přináší populačně zaměřený, vysoce detailní pohled na molekulární evoluci jednoho z klíčových biologických procesů. Navíc práce ukazuje, že i proteiny, které zajišťují fungování silně konzervovaného procesu, se mohou začít dynamicky vyvíjet uvnitř jediného druhu, pokud je to potřeba.
Preliminary scope of work in English
Meiosis is functionally conserved across eukaryotes, thus not expected to vary considerably among different species, and even less so among lineages within a species. However, recent studies showed that this is not necessarily the case in Arabidopsis arenosa. Genome scanning identified an excess differentiation in meiosis genes between A. arenosa diploids and tetraploids, interpreted as meiosis adaptation to the whole genome duplication in tetraploids and differentiation was also found between two diploid lineages. Thus, I present a population-based analysis of positive selection acting on meiosis proteins across multiple lineages of A. arenosa. I showed that meiosis proteins were under positive selection in all diploid lineages, mainly in the Pannonian and South-eastern Carpathian lineage. The evidence for positive selection in diploid lineages suggested differential pathways of meiosis adaptations in the species, probably reflecting the necessity to adapt to local environments, among all to temperature. The highest enrichment of amino acid substitutions (AASs) under positive selection was identified in tetraploids, in consistence with previous genome-scan results. As several interacting meiosis proteins were under positive selection in the same A. arenosa lineage, I hypothesize that the close physical and/or functional proximity might have driven their co-evolution. The selected AASs tended to occur in proteins being overall under positive selection (identified as excess of non-synonymous over synonymous substitutions). Moreover, the selected AASs were enriched at protein positions having low pairwise alignment identity of the respective orthologous sites across embryophytes, supporting the assumption that selection acted preferably on AASs in sites less conserved throughout plant evolution. No stop and start codon gains and losses were identified to be fixed in any of the lineages, suggesting strong purifying selection against them. Finally, the observed difference in pollen viability in different A. arenosa lineages under varying temperature suggested local adaptation of meiosis to temperature. In summary, my study brings uniquely deep population-level view on molecular evolution of one of the key biological processes, meiosis. It shows a dynamic evolution of protein sequence within a single species, a surprising fact, given that meiosis is an evolutionally conserved process.
- assigned by the advisor