Transposons, a rich source of genetic variability in crops

Abstract

Els genomes de les plantes contenen un gran nombre de seqüències repetitives disperses. Els transposons i els Pararetrovirus Endògens (EPRVs) formen part d'aquest grup de seqüències repetitives. Els transposons són seqüències d'ADN amb la capacitat de moure's i canviar la seva posició en el genoma, o bé de generar còpies d'ells mateixos en altres posicions del genoma. Els Pararetrovirus Endògens són seqüències derivades de virus de la família Caulimoviridae, que s'han identificat en els genomes de monocotiledònies i dicotiledònies, tot i que el seu cicle replicatiu no inclou necessàriament la integració en el genoma de l'hoste. En aquesta tesi s'han estudiat els Transposons i els Pararetrovirus Endògens com a font de variabilitat genètica en els cultius. Els transposons s'han estudiat específicament en el gènere Prunus: en presseguer (Prunus persica 'Early Gold'), ametller (Prunus dulcis 'Texas') i un híbrid F1 (MB1.37) entre les dues espècies. Mentre que l'estudi dels Pararetrovirus Endògens incloïa diferents grups de plantes. El Capítol 1 es centra en la caracterització de la transcripció dels transposons i dels gens d'ametller, presseguer i de l'híbrid F1, per determinar si es produeix un xoc genòmic en l'híbrid, que resulti en una activació de la transcripció. Els nostres resultats han mostrat que no es produeix un xoc genòmic, ja que no hem observat grans canvis en la transcripció de l'híbrid respecte a la dels parentals. A més, l'estudi de gens amb transcripció diferencial entre les dues espècies ha permès identificar un gen amb una inserció polimòrfica, que per la seva localització en el genoma és un bon candidat a ser el gen de resistència a l'oïdi Vr3. Al Capítol 2 es va realitzar un estudi dels transposons a l'ametller, utilitzant una nova versió del seu genoma (Texas v.3.0). Aquesta nova seqüència del genoma es caracteritza per la seqüenciació de les dues fases o haplotips, la qual cosa és un avantatge per a l'estudi d'una espècie considerablement heterozigota com és l'ametller. Aquest estudi va incloure l'anotació de transposons, millorant l'anotació de la versió anterior del genoma. A més, es va realitzar un estudi de l'expressió al·lèlica específica en diversos òrgans d'ametller i es van identificar 4 agrupacions d'al·lels co-expressats. Finalment, es va dur a terme un estudi de l'impacte dels transposons homozigots i heterozigots propers a gens, que va permetre la detecció de diferències en la transcripció dels gens, i un estudi de la variabilitat genètica en 40 cultivars d'ametller. Per últim, el Capítol 3 es va basar en la identificació, classificació i caracterització del domini Transcriptasa Reversa (RT) dels Pararetrovirus Endògens recentment inserits a 278 genomes de plantes. Aquest anàlisi va permetre la identificació de 11,527 seqüències, que es van classificar en 13 gèneres de la família Caulimoviridae. Un d'aquests gèneres és el gènere Wendovirus, proposat durant aquesta tesi i que es caracteritza per la presència de quatre marcs de lectura oberts, amb dos que codifiquen per proteases aspàrtiques.

Los genomas de plantas contienen un gran número de secuencias repetitivas dispersas. Los Elementos Transponibles (TEs) y los Pararetrovirus Endógenos (EPRVs) forman parte de este grupo de secuencias repetitivas. Los Elementos Transponibles son secuencias de ADN con la capacidad de moverse y cambiar su posición en el genoma, o bien de generar copias de ellos mismos en otras posiciones del genoma. Los Pararetrovirus Endógenos son secuencias derivadas de virus de la familia Caulimoviridae, que se han identificado en los genomas de monocotiledóneas y dicotiledóneas, a pesar de que su ciclo replicativo no incluye necesariamente la integración en el genoma del huésped. En esta tesis se han estudiado los Transposones y los Pararetrovirus Endógenos como fuente de variabilidad genética en cultivos. Los transposones se han estudiado específicamente en el género Prunus: en melocotonero (Prunus persica 'Early Gold'), almendro (Prunus dulcis 'Texas') y un híbrido F1 (MB1.37) entre ambas especies. Mientras que el estudio de los Pararetrovirus Endógenos incluía diferentes grupos de plantas. El Capítulo 1 se centra en la caracterización de la transcripción de los Elementos Transponibles y de los genes de almendro, melocotonero y del híbrido F1, para determinar si se produce un shock genómico en el híbrido que resulte en una activación de la transcripción. Nuestros resultados han mostrado que no se produce un shock genómico, ya que no observamos grandes cambios en la transcripción del híbrido respecto a la de los parentales. Además, el estudio de genes con transcripción diferencial entre las dos especies ha permitido identificar un gen con una inserción polimórfica, que por su localización en el genoma es un buen candidato para ser el gen de resistencia a oídio Vr3. En el Capítulo 2 se realizó un estudio de los transposones en almendro, utilizando una nueva versión de su genoma (Texas v.3.0). Esta nueva secuencia del genoma se caracteriza por la secuenciación de las dos fases o haplotipos, lo cual supone una ventaja para el estudio de una especie considerablemente heterocigota como es almendro. Este estudio incluyó la anotación de transposones, mejorando la anotación de la versión anterior del genoma. Además, se realizó un estudio de la expresión alélica específica en diversos órganos de almendro y se identificaron 4 clusters de alelos co-expresados. Por último, se realizó un estudio del impacto de los transposones homocigotos y heterocigotos cerca de genes, que permitió la detección de diferencias en la transcripción de los genes, y un estudio de la variabilidad genética en 40 cultivares de almendro. Finalmente, el Capítulo 3 se basó en la identificación, clasificación y caracterización del dominio Transcriptasa Reversa (RT) de Pararetrovirus Endógenos recientemente insertados en 278 genomas de plantas. Este análisis permitió la identificación de 11,527 secuencias, que se clasificaron en 13 géneros de la familia Caulimoviridae. Uno de estos géneros es el género Wendovirus, propuesto en esta tesis y que se caracteriza por la presencia de cuatro marcos de lectura abiertos, con dos que codifican para proteasas aspárticas.

Plant genomes contain a large number of dispersed repetitive sequences. Transposable Elements (TEs) and Endogenous Pararetroviruses (EPRVs) are part of this group of repetitive sequences. Transposable Elements are DNA sequences with the ability to move and change their position in the genome or generate copies of themselves in other genomic locations. Endogenous Pararetroviruses are sequences derived from viruses of the family Caulimoviridae and have been identified in monocotyledon and dicotyledon genomes, despite their replicative cycle does not necessarily include integration into the host genome. In this thesis, transposons and Endogenous Pararetroviruses have been studied as sources of genetic variability in crops. Transposons have been specifically studied in the genus Prunus: in peach (Prunus persica 'Early Gold'), almond (Prunus dulcis 'Texas'), and an F1 hybrid (MB1.37) between both species. Meanwhile, the study of Endogenous Pararetroviruses included different plant groups. Chapter 1 focuses on characterizing the transcription of Transposable Elements and genes in almond, peach, and the F1 hybrid, to determine if there is genomic shock resulting in transcriptional activation in the hybrid. Our results have shown that there is no genomic shock, as we did not observe significant changes in the hybrid's transcription compared to the parentals. Additionally, the study of genes with differential transcription between the two species has identified a gene with a polymorphic insertion that, due to its genomic location, is a strong candidate for the powdery mildew resistance gene Vr3. Chapter 2 presents a study of transposons in almond, using a new version of its genome (Texas v.3.0). This new genome sequence is characterized by sequencing both phases or haplotypes, which is advantageous for studying a considerably heterozygous species like almond. This study included transposon annotation, improving the previous genome annotation, and an analysis of allele-specific expression in various almond organs, which identified four clusters of co-expressed alleles. Additionally, we performed an analysis of the impact of homozygous and heterozygous transposons near genes, which allowed for the detection of gene transcriptional differences, and a study of genetic variability in 40 almond cultivars. Lastly, Chapter 3 was dedicated to the identification, classification, and characterization of the Reverse Transcriptase (RT) domain of recently inserted Endogenous Pararetroviruses in 278 plant genomes. This analysis identified 11,527 sequences, classified into 13 genera of the family Caulimoviridae. One of these genera is the newly proposed during this thesis genus Wendovirus, characterized by the presence of four open reading frames, two of which encode aspartic proteases.