Impact of transposable elements in the evolution of plant genomes

Abstract

Los transposones son elementos genéticos que tienen la capacidad de modificar su posición en el genoma. Como consecuencia, tienen un impacto en la evolución de los genomas inactivando o alterando los genes del huésped y proporcionando nuevas funciones génicas. Los transposones ocupan una fracción importante en todos los genomas resecuenciados. El objetivo del trabajo presentado en esta tesis trata en estudiar los distintos impactos de transposones tanto en genes como en la evolución de los genomas de distintas especies de plantas. En esta tesis, se ha analizado la fracción de transposones en melón y pepino, dos especies muy cercanas. Los resultados sugieren que los transposones han proliferado más en melón, causando un aumento del tamaño del genoma. Los transposones no se encuentran distribuidos habitualmente de forma homogénea y tienden a acumularse en las regiones pericentroméricas heterocromáticas, como es el caso de los genomas de melón y pepino. Curiosamente, los resultados presentados muestran que los transposones han expandido las regiones pericentroméricas en melón, demostrando que los transposones pueden modificar la estructura de los genomas. El número de genomas de referencia de plantas disponibles y el número de variedades resecuenciadas ha crecido exponencialmente permitiendo estudiar la correlación entre las variaciones genéticas y fenotípicas. El propósito del trabajo resumido en la segunda parte de esta tesis consiste en analizar el impacto de los transposones en genomas de especies cultivables, detectando los polimorfismos ocasionados por la presencia o ausencia de transposones en un locus concreto, a través de la comparación de una variedad resecuenciada respecto al genoma de referencia. El análisis de inserciones polimórficas de transposones se ha realizado en tres especies distintas: melón, palmera datilera y Physcomitrella patens. Los resultados obtenidos pueden ayudar a identificar familias de transposones activas recientemente y proporcionar información nueva sobre polimorfismos genéticos que pueden estar ligados a caracteres seleccionados durante la evolución reciente de estas tres especies. Para estudiar el impacto de la transposición en la regulación génica, el trabajo presentado en la tercera parte de esta tesis se centra en la capacidad de los transposones en amplificar y redistribuir sitios de unión a factores de transcripción. Los resultados muestran que algunas familias de MITEs se han amplificado y redistribuido los sitios de unión del factor de transcripción E2F durante la evolución de algunas especies del género Brassica. El objetivo de este trabajo ha sido evaluar el impacto de los sitios de unión a E2F localizados dentro de transposones reprogramando la regulación de genes en la red transcripcional de E2F. Los resultados obtenidos han determinado que los sitios de unión a E2F localizados dentro de transposones tienen capacidad de unirse a los factores de transcripción de E2F in vivo, independientemente de las marcas epigenéticas en la región. Además, los transposones se utilizan como herramienta genética útil para generar colecciones de mutantes en animales y plantas debido a su capacidad de integrar copias en el genoma. En plantas, algunos retrotransposones se integran preferentemente cerca de genes siendo particularmente interesantes para la mutagénesis. De entre todos, el retrotransposón de tabaco Tnt1 se ha utilizado para generar mutantes en distintas especies de plantas. La última parte de esta tesis consiste en analizar la capacidad del retrotransposón de tabaco Tnt1 en transponer en el musgo Physcomitrella patens, ya que se demostró que Tnt1 transpone eficientemente en P. patens y se integra preferentemente cerca de genes. Finalmente, este estudio presenta vectores derivados de Tnt1 diseñados para transponer con alta eficiencia y ser utilizados para generar colecciones de mutantes con inserciones estables en esta especie briofita.

Els transposons són elements genètics que tenen la capacitat de modificar la seva posició dins el genoma. Com a conseqüència, tenen un impacte en l’evolució del genomes inactivant o alterant els gens de l’hoste i proporcionant noves funcions gèniques. Els transposons ocupen una fracció important de tots els genomes seqüenciats. L’objectiu del treball presentat en aquesta tesis consisteix en estudiar els diversos impactes de transposons tant en els gens com en l’evolució dels genomes de diferents espècies de plantes. En aquesta tesis, s’ha analitzat la fracció de transposons en meló i cogombre, dues espècies molt properes. Els resultats suggereixen que els transposons han proliferat més en meló, causant un augment de la mida del genoma. Els transposons no es troben distribuïts habitualment de forma homogènia i tendeixen a acumular-se en les regions pericentromèriques heterocromàtiques, com el cas dels genomes de meló i cogombre. Curiosament, els resultats presentats mostren que els transposons han expandit les regions pericentromèriques en meló, demostrant que els transposons poden modificar l’estructura dels genomes. El número de genomes de referència de plantes disponibles i el número de varietats reseqüenciades ha crescut exponencialment permetent estudiar la correlació entre les variacions genètiques i fenotípiques. El propòsit del treball resumit en la segona part d’aquesta tesis consisteix en analitzar l’impacte dels transposons en genomes d’espècies cultivables detectant els polimorfismes deguts a la presència o absència de transposó en un locus concret, comparant una varietat reseqüenciada respecte al seu genoma de referència. L’anàlisi d’insercions polimòrfiques de transposons s’ha realitzat en tres espècies diferents: meló, palmera datilera i Physcomitrella patens. Els resultats obtinguts poden ajudar a identificar famílies de transposons actives recentment i proporcionar informació nova sobre polimorfismes genètics que poden estar lligats a caràcters seleccionats durant l’evolució recent d’aquestes tres espècies. Per tal d’estudiar l’impacte de la transposició en la regulació gènica, el treball presentat en la tercera part d’aquesta tesis se centra en la capacitat dels transposons en amplificar i redistribuir llocs d’unió a factors de transcripció. Els resultats mostren que algunes famílies de MITEs s’han amplificat i han redistribuït els llocs d’unió del factor de transcripció E2F durant l’evolució d’algunes espècies del gènere Brassica. L’objectiu d’aquest treball és avaluar l’impacte dels llocs d’unió a E2F localitzats dins de transposons reprogramant la regulació de gens de la xarxa transcripcional de E2F. Els resultats obtinguts han determinat que els llocs d’unió a E2F localitzats dins de transposons tenen la capacitat d’unir-se als factors de transcripció de E2F in vivo, independentment de les marques epigenètiques de la regió. A més a més, els transposons s’han convertit en eines genètiques útils per generar col·leccions de mutants en animals i plantes degut a la seva capacitat d’integrar còpies en el genoma. En plantes, alguns retrotransposons s’integren preferentment a prop de gens sent particularment interessants per la mutagènesis. Entre tots ells, el retrotransposó de tabac Tnt1 s’ha utilitzat per generar mutants en diferents espècies de plantes. L’última part d’aquesta tesis consisteix en analitzar la capacitat del retrotransposó de tabac Tnt1 en transposar en la molsa Physcomitrella patens. S’ha demostrat que Tnt1 transposa eficientment en P. patens i s’integra preferentment a prop de gens. Aquest estudi presenta vectors derivats de Tnt1 dissenyats per transposar amb alta eficiència i ser utilitzats per generar col·leccions de mutants amb insercions estables en aquest briòfit.

Transposable elements are genetic elements that have the capacity to modify their position within the genome. As a consequence, they impact the evolution of genomes by inactivating or altering host genes and by providing new gene functions. Transposons account for an important fraction of all sequenced genomes. The goal of the work presented in this dissertation is to investigate the diverse impacts of transposons on gene and genome evolution in different plant species. The transposon content has been analyzed in melon and cucumber, two closely related species. The results suggest that transposons have proliferated to a greater extend in melon, causing an increase of its genome size. Transposable elements are usually not homogenously distributed and tend to accumulate in heterochromatic pericentromeric regions. This is also the case of melon and cucumber genomes. Interestingly, the results presented show that transposons have expanded the pericentromeric regions in melon, showing that transposons can modify the structure of genomes. The number of plant reference genomes made available and the number of varieties resequenced is growing exponentially, and this is allowing to study the correlation between genetic and phenotypic variations. The purpose of the work summarized in the second part of this dissertation is to analyze the impact of transposons in crop genomes by detecting polymorphisms due to the presence or absence of transposon at a given locus, comparing one resequenced variety respect to the reference genome. The analysis of transposon-related polymorphism insertions has been performed in three different species: melon, date palm and Physcomitrella patens. The results obtained can help to identify the transposon families recently active and to provide new information on genetic polymorphisms that can be linked to traits selected during the recent evolution of these three species. In order to study the impact of transposition on gene regulation, the work reported in the third part of this dissertation focuses on the capacity of transposons to amplify and redistribute transcription factor binding sites. The results show that some MITE families have amplified and redistributed the binding sites of E2F transcription factor during Brassica evolution. The goal of this study was to assess the impact of E2F binding sites located within a transposon in reprogramming gene regulation on the E2F transcriptional network. The results obtained have determined that E2F binding sites located within transposons have the capacity to bind E2F transcription factor in vivo, regardless the epigenetic mark context. Moreover, transposons have become a useful genetic tool to generate mutant collections in animals and plants due to the capacity to insert copies into the genome. In plants, some retrotransposons have been shown to integrate preferentially near genes making them particularly interesting for mutagenesis. Among them, the tobacco retrotransposon Tnt1 has been used to generate mutants in different plant species. The last part of this dissertation consists in analyzing the capacity of the tobacco retrotransposon Tnt1 to transpose in the moss Physcomitrella patens. It shows that Tnt1 efficiently transposes in P. patens and inserts preferentially in genic regions. This work presents Tnt1-derived vectors designed for high efficiency transposition that could be used to generate stable insertion mutant collections in this bryophyte species.