Whole genome duplication and its role in the evolutionary success of polyploids

• Thesis title in Czech: Celogenomová duplikace a její role v evolučním úspěchu polyploidních linií rostlin
• Thesis title in English: Whole genome duplication and its role in the evolutionary success of polyploids
• Academic year of topic announcement: 2023/2024
• Thesis type: diploma thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Botany (31-120)
• Supervisor: RNDr. Filip Kolář, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 30.10.2023
• Date of assignment: 30.10.2023
• Confirmed by Study dept. on: 01.02.2024
• Advisors: Mgr. Tomáš Koubek, Ph.D.

Preliminary scope of work

Cílem práce bude objasnit, zda a popřípadě jakou roli hraje duplikace celého genomu (polyploidizace) v obraně rostlin vůči patogenům. Z předešlých výzkumů je patrné, že rostliny s vyšší úrovní ploidie disponují odlišnými vlastnostmi než jejich diploidní předchůdci a tudíž, že polyploidizace může jedinci potenciálně přinést evoluční výhodu, zejména v kontextu environmentálního stresu. Dle mnoha starších studií by jednou z těchto výhod mohla být zvýšená rezistence vůči patogenům. V literatuře se však často setkáme i s výsledky, které tuto teorii nepodporují a poslední výzkumy také naznačují, že tento domnělý trend není stále jednoznačně prokázán. Jedním z důvodů těchto nejasností je, že v některých případech byly diploidní jedinci kontrastování s nově syntetizovanými neopolyploidy a jindy s etablovanými přírodními polyploidními liniemi a souhrnné porovnání přes nově vzniklé i ustálené polyploidy chybí.

Pro ověření výše zmíněného předpokladu bude proto zrealizován experiment s komplexnějším designem, který zahrnuje všechny tři zmíněné úrovně ploidie (diploidní linie, neopolyploidní linie a etablované tetraploidní linie) rostlin druhu Arabidopsis arenosa. Projekt by měl přispět k zodpovězení následujících otázek: Jak ovlivňuje zmíněný patogen fitness a fenotyp rostlin A. arenosa? Vede nákaza ke zvýšení endoreduplikace v kořenech a listech(endoreduplikace dle studií u diploidních druhů rovněž ovlivňuje reakci rostlin na biotický stres) a je tato odpověďnižší utetraploidů, u nichž jesnížená endoreduplikace známa v kontrolních podmínkách? Vede polyploidizace k efektivnější rezistenci vůči biotickému stresu a pokud ano, je tato rezistence patrná již bezprostředně po polyploidizaci, ukazující na vliv vlastní genomové duplikace a s ní souvisejících fenotypických změn, či je efekt patrný jen v etablovaných liniích a efekt polyploidizace tak podporuje rezistenci spíše skrze následnou evoluci v polyploidních populací (např. skrze znásobení variability genů pro rostlinnou obranu)?

V rámci pokusu budou porovávány rostliny druhu Arabidopsis arenosa (diploidní linie, neopolyploidní linie a etablované tetraploidní linie) které budou zdravé (kontrola) a nakažené běžným parazitem brukvovitých Plasmodiophorida brassicae. Takto designovaný experiment bude doplněn rozsáhlým fenotypováním morfologických, fenologických, fyziologických a fitness indikujících znaků (jako např. průměr růžice, výška, čas kvetení, množství semen, obsah chlorofylu apod.). Charakterizace nakažení patogenem bude navíc podpořena snímky ze světelné a fluorescenční mikroskopie kořenů. Dále bude pomocí průtokové cytometrie listů zjišťována a následně srovnávána úroveň endoreduplikace všech zmíněných skupin rostlin, jejíž zvýšený stupeň lze dle posledních zjištění očekávat hlavně v rámci diploidních populací. Kromě toho pomůže průtoková cytometrie demonstrovat úroveň endoreduplikace v kořenech, kde lze očekávat vyšší endoreduplikaci jako následek nákazy zmíněným patogenem. Pokud budou zjištěny fenotypové změny mezi zmíněnými skupinami, bude možné otestovat hypotézu zvýšené variability rezistentních genů (známých z A. thaliana) u tetraploidů, pomocí průzkumu genetické variability přírodních populací z dostupných SNP dat přibližně 600 jedinců A. arenosa.