Title (eng)
Functional analysis of epialleles in diploid and tetraploid Arabidopsis thaliana
Parallel title (deu)
Funktionelle Analyse von Epiallelen in diploider und tetraploider Arabidopsis thaliana
Author
Andrea Förster-Sümecz
Advisor
Ortrun Mittelsten Scheid
Assessor
Peter Meyer
Werner Aufsatz
Abstract (deu)
Polyploidie, die Multiplikation des diploiden Chromosomensatzes, tritt bei Pflanzen häufig auf. Die Entstehung polyploider Pflanzen ist oft mit Änderungen ihrer Genom- als auch ihrer Epigenomorganisation verbunden. Die transkriptionelle Geninaktivierung (transcriptional gene silencing, TGS) führt zu kompletten und erblichen Verlust der Expression vorher aktiver Gene. Durch TGS können Epiallele entstehen, die in ihrer DNA Sequenz übereinstimmen, aber unterschiedlich exprimiert werden. Das inaktive Epiallel kann durch epigenetische Wechselwirkungen die aktive Form in trans beeinflussen, was zu einer epigenetischen Angleichung der beiden Epiallele führt. Dieser Erbgang folgt nicht den Mendelschen Regeln und ähnelt der Paramutation. Da epigenetische Diversität direkten Einfluss auf die phänotypische Vielfalt und den Wachstumserfolg von Pflanzen hat, sind die zugrundeliegenden, regulatorischen Mechanismen von großer Bedeutung für natürliche Evolution und Pflanzenzüchtung.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Prinzipien der polyploidie-assoziierten transkriptionellen Geninaktivierung (polyploidy-associated transcriptional gene silencing, paTGS) eines transgenen Resistenzgens (Hygromycinphosphotransferase, HPT), das in aktiven oder inaktiven Epiallel-Varianten in Arabidopsis thaliana auftritt. Um den paTGS-Mechanismus und die allelische Interaktion zu analysieren, habe ich die genetischen und epigenetischen Merkmale der Epiallele in diploidem und tetraploidem Hintergrund und nach Mutagenese charakterisiert. Die genetische Struktur der Epiallele wurde in Linien mit aktiven, inaktiven und strukturell veränderten HPT Genen untersucht. Ich konnte spezifische epigenetische Modifikationen (DNA-Methylierung und Histonmodifikationen) der Epiallele nachweisen. Da Paramutation in Mais im funktionellen Zusammenhang mit regulatorischen RNAs (small RNAs) steht, analysierte ich die Fähigkeit des Transgens, solche RNAs oder Antisense-Transkripte zu generieren. Zusätzlich wurde der Einfluss vieler epigenetischer Mutanten auf das inaktive Epiallel untersucht.
In dieser Arbeit habe ich gezeigt, dass sich die beiden Epiallelformen in ihrer epigenetischen Zusammensetzung entsprechend ihrer Expressionsmuster, unterscheiden. Small RNAs oder Antisense-Transkripte dürften bei der Regulation der Epiallele keine Rolle spielen. Verschiedene strukturelle Änderungen im inaktiven Epiallel führten zur Reaktivierung der HPT Expression, was auf einen starken Einfluss der DNA Sequenz, vermutlich über die Chromatinorganisation hindeutet.
Abstract (eng)
Polyploidy, a condition of containing more than two sets of homologous chromosomes, is frequent among higher plants. The formation of polyploids is often associated with genomic rearrangements and epigenetic changes, such as transcriptional gene silencing (TGS), resulting in heritable loss of gene expression from previously active genes. TGS can lead to the formation of epialleles, which are identical in DNA sequence, but differ in expression states. Silent epialleles can exert non-Mendelian behavior in a paramutation-like interaction, silencing their expressed counterpart in trans and thereby leading to functional epigenetic homozygosity. Since epigenetic diversity may create phenotypic diversity and determine plant performance, these regulatory mechanisms are likely important for natural evolution and plant breeding.
In the experimental work for this thesis I investigated the principles of polyploidy-associated transcriptional gene silencing (paTGS) in a model system based on transgenic Arabidopsis thaliana lines, containing a resistance marker gene (hygromycin phosphotransferase, HPT) in active or inactive epiallelic state. I characterized genetic and epigenetic features of the epialleles in diploid, tetraploid and mutant lines, aiming to identify the mechanisms of paTGS and the allelic interaction. The structure of the epialleles is investigated in expressing and non-expressing lines, as well as in mutant lines with structural rearrangements of the epialleles. I was able to portray the epigenetic state of epialleles including DNA methylation and several histone modifications. Since paramutation in maize is functionally linked with enzymatic amplification of small RNAs, I analyzed the role of the transgene and the RNA features for their ability to produce small RNAs or antisense transcripts. Numerous Arabidopsis mutants affecting well-defined elements of epigenetic regulation allowed further mechanistic investigations of epigenetic phenomena in polyploids.
In summary, I was able to show that the epialleles differ in their chromatin modification according to the differences in their expression states. No evidence for an involvement of small RNAs or antisense transcripts in silencing was observed. However, structural changes within the silent epiallele led to reactivation of the inactive HPT gene, indicating strong impact of the sequence composition on epiallelic gene regulation.
Keywords (eng)
epigeneticspolyploidyepiallelesparamutationArabidopsis
Keywords (deu)
EpigenetikPolyploidieEpialleleParamutationArabidopsis
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1262735
rdau:P60550 (deu)
III, 113 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
117
Association (deu)
Title (eng)
Functional analysis of epialleles in diploid and tetraploid Arabidopsis thaliana
Parallel title (deu)
Funktionelle Analyse von Epiallelen in diploider und tetraploider Arabidopsis thaliana
Author
Andrea Förster-Sümecz
Abstract (deu)
Polyploidie, die Multiplikation des diploiden Chromosomensatzes, tritt bei Pflanzen häufig auf. Die Entstehung polyploider Pflanzen ist oft mit Änderungen ihrer Genom- als auch ihrer Epigenomorganisation verbunden. Die transkriptionelle Geninaktivierung (transcriptional gene silencing, TGS) führt zu kompletten und erblichen Verlust der Expression vorher aktiver Gene. Durch TGS können Epiallele entstehen, die in ihrer DNA Sequenz übereinstimmen, aber unterschiedlich exprimiert werden. Das inaktive Epiallel kann durch epigenetische Wechselwirkungen die aktive Form in trans beeinflussen, was zu einer epigenetischen Angleichung der beiden Epiallele führt. Dieser Erbgang folgt nicht den Mendelschen Regeln und ähnelt der Paramutation. Da epigenetische Diversität direkten Einfluss auf die phänotypische Vielfalt und den Wachstumserfolg von Pflanzen hat, sind die zugrundeliegenden, regulatorischen Mechanismen von großer Bedeutung für natürliche Evolution und Pflanzenzüchtung.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Prinzipien der polyploidie-assoziierten transkriptionellen Geninaktivierung (polyploidy-associated transcriptional gene silencing, paTGS) eines transgenen Resistenzgens (Hygromycinphosphotransferase, HPT), das in aktiven oder inaktiven Epiallel-Varianten in Arabidopsis thaliana auftritt. Um den paTGS-Mechanismus und die allelische Interaktion zu analysieren, habe ich die genetischen und epigenetischen Merkmale der Epiallele in diploidem und tetraploidem Hintergrund und nach Mutagenese charakterisiert. Die genetische Struktur der Epiallele wurde in Linien mit aktiven, inaktiven und strukturell veränderten HPT Genen untersucht. Ich konnte spezifische epigenetische Modifikationen (DNA-Methylierung und Histonmodifikationen) der Epiallele nachweisen. Da Paramutation in Mais im funktionellen Zusammenhang mit regulatorischen RNAs (small RNAs) steht, analysierte ich die Fähigkeit des Transgens, solche RNAs oder Antisense-Transkripte zu generieren. Zusätzlich wurde der Einfluss vieler epigenetischer Mutanten auf das inaktive Epiallel untersucht.
In dieser Arbeit habe ich gezeigt, dass sich die beiden Epiallelformen in ihrer epigenetischen Zusammensetzung entsprechend ihrer Expressionsmuster, unterscheiden. Small RNAs oder Antisense-Transkripte dürften bei der Regulation der Epiallele keine Rolle spielen. Verschiedene strukturelle Änderungen im inaktiven Epiallel führten zur Reaktivierung der HPT Expression, was auf einen starken Einfluss der DNA Sequenz, vermutlich über die Chromatinorganisation hindeutet.
Abstract (eng)
Polyploidy, a condition of containing more than two sets of homologous chromosomes, is frequent among higher plants. The formation of polyploids is often associated with genomic rearrangements and epigenetic changes, such as transcriptional gene silencing (TGS), resulting in heritable loss of gene expression from previously active genes. TGS can lead to the formation of epialleles, which are identical in DNA sequence, but differ in expression states. Silent epialleles can exert non-Mendelian behavior in a paramutation-like interaction, silencing their expressed counterpart in trans and thereby leading to functional epigenetic homozygosity. Since epigenetic diversity may create phenotypic diversity and determine plant performance, these regulatory mechanisms are likely important for natural evolution and plant breeding.
In the experimental work for this thesis I investigated the principles of polyploidy-associated transcriptional gene silencing (paTGS) in a model system based on transgenic Arabidopsis thaliana lines, containing a resistance marker gene (hygromycin phosphotransferase, HPT) in active or inactive epiallelic state. I characterized genetic and epigenetic features of the epialleles in diploid, tetraploid and mutant lines, aiming to identify the mechanisms of paTGS and the allelic interaction. The structure of the epialleles is investigated in expressing and non-expressing lines, as well as in mutant lines with structural rearrangements of the epialleles. I was able to portray the epigenetic state of epialleles including DNA methylation and several histone modifications. Since paramutation in maize is functionally linked with enzymatic amplification of small RNAs, I analyzed the role of the transgene and the RNA features for their ability to produce small RNAs or antisense transcripts. Numerous Arabidopsis mutants affecting well-defined elements of epigenetic regulation allowed further mechanistic investigations of epigenetic phenomena in polyploids.
In summary, I was able to show that the epialleles differ in their chromatin modification according to the differences in their expression states. No evidence for an involvement of small RNAs or antisense transcripts in silencing was observed. However, structural changes within the silent epiallele led to reactivation of the inactive HPT gene, indicating strong impact of the sequence composition on epiallelic gene regulation.
Keywords (eng)
epigeneticspolyploidyepiallelesparamutationArabidopsis
Keywords (deu)
EpigenetikPolyploidieEpialleleParamutationArabidopsis
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1262736
Number of pages
117
Association (deu)
License
Citable links
Other links
Managed by
Details
Metadata
Export formats
Universitätsring 1, 1010 Wien | T
T +43-1-4277-0