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Entwicklung eines FISH-Referenzkaryotyps der Zuckerrübe (Beta vulgaris) für die Integration genetischer Kopplungskarten und die Analyse der chromosomalen Verteilung von repetitiven Sequenzen

Authors
Publisher
Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden
Publication Date
Keywords
  • Karyotyp
  • Fish
  • Bacs
  • Pachytänchromosomen
  • Satelliten-Dna
  • Zuckerrübe
  • Beta Vulgaris
  • Karyotype
  • Pachytene Chromosomes
  • Satellite Dna
  • Sugar Beet
  • Ddc:570
  • Rvk:Wg 2100

Abstract

Die Verbindung von genetischen, physikalischen und zytologischen Daten ist entscheidend für die Genom- und Chromosomenanalyse. Obwohl Beta vulgaris (2n = 18) als wichtige Kulturpflanze und Untersuchungsobjekt der Grundlagenforschung eine intensiv analysierte Art darstellt, existiert bisher keine Verknüpfung zwischen Kopplungsgruppen (LG) und Chromosomen. B.-vulgaris-Chromosomen können zudem aufgrund fehlender morphologischer Unterscheidungsmerkmale bisher nicht einzeln identifiziert und klassifiziert werden. Somit sind zytogenetisch gewonnene Ergebnisse nicht ohne weiteres auf genetische Kopplungsgruppen und physikalische Karten übertragbar. Zytogenetische Methoden können zur Analyse struktureller Chromosomenveränderungen, zur Identifizierung und Lokalisierung von repetitiver DNA sowie zur Kartierung schwierig zu positionierender Marker verwendet werden. Ziel dieser Arbeit war es daher, ein FISH (Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung)-Verfahren zu etablieren, das die Kopplungsgruppen und Chromosomen der Zuckerrübe korreliert und die mikroskopische Identifizierung aller Chromosomenarme ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FISH-Referenzkaryotyp der Zuckerrübe entwickelt. Durch ein Sondenset aus 18 BACs (bacterial artificial chromosome) sind alle Chromosomenarme der Zuckerrübe identifizierbar und werden mit den nördlichen und südlichen Enden der genetischen Kopplungsgruppen verknüpft. Somit ist eine einheitliche Nummerierung von Kopplungsgruppen und Chromosomen möglich. Durch die gleichzeitige Hybridisierung von chromosomenspezifischen BACs und den Satelliten-DNA-Sonden pAv34 und pBV VI beziehungsweise pEV und pBV wurden die Verteilungsmuster der Sequenzfamilien auf den Chromosomen ermittelt. Die gleichzeitige Hybridisierung aller vier repetitiven Sonden ergab ein chromosomenspezifisches Muster aus subtelomerischen, interkalaren und zentromerischen Signalen. Damit ist die Identifizierung aller B.-vulgaris-Chromosomen in einem einzelnen FISH-Experiment möglich. Zudem wurden dadurch die Chromosomen mit hohem Anteil an tandemartig angeordneten repetitiven Sequenzen identifiziert und die Chromosomenregionen lokalisiert, welche die Sequenzassemblierung behindern können. Sowohl das entwickelte BAC-Set als auch der Sondenpool aus repetitiver DNA unterscheiden die somatischen Metaphasechromosomen erstmals unabhängig von trisomen Linien. Da mit Hilfe der Satelliten-DNA-Sonden alle Chromosomen gleichzeitig markiert werden können, waren die spezifischen physikalischen Längen ermittelbar. Sie wurden mit den genetischen Längen der Kopplungsgruppen in Verbindung gebracht und deckten eine kopplungs-gruppenspezifische Rekombinationshäufigkeit zwischen 0,73 und 1,14 Mb/cM auf. Durch Hybridisierung der BACs und subtelomerischer beziehungsweise telomerischer Sonden auf Pachytänchromosomen wurde der Abstand der BACs sowie der in ihnen enthaltenen genetischen Marker zum physikalischen Chromosomenende abgeschätzt. An fünf Chromo-somenenden wurde ein deutlicher Abstand zwischen den Signalen des BACs und der terminalen Sonden festgestellt. Die zugehörigen Kopplungsgruppen sind demnach erweiterbar. Zudem wurden drei BACs mit nicht detektierbarem Abstand zum Chromosomenende durch FISH an gestreckten Chromatinfasern näher untersucht. Einer der drei BACs wurde eindeutig in unmittelbarer Nähe des Telomers nachgewiesen. Für dieses Ende (Chr 2N) ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die Kopplungsgruppe durch zusätzliche Marker erweitert werden kann; sie wird darum als abgeschlossen angesehen. Für die Enden Chr 4S und Chr 9S war der Abstand zwischen BAC und terminaler Sonde zu groß, um ihn durch Fiber-FISH zu ermitteln. Für sie sind weitere distal zu positionierende Marker wahrscheinlich. Weiterhin wurden bioinformatische Analysen an der verfügbaren B.-vulgaris-Genomsequenz RefBeet 1.0 durchgeführt. Scaffolds, welche die genetischen terminalen Marker enthalten, wurden bioinformatisch identifiziert und auf ihren Gehalt subtelomerischer und telomerischer Sequenzen untersucht. Vorhandene terminale Sequenzen sind ein Nachweis für eine terminale Lokalisierung der in-silico-Chromosomenabschnitte. Für drei Scaffolds mit zuvor ungeklärter Lage wurde dadurch das in-silico-Chromosom ermittelt beziehungsweise die nördliche oder südliche Position auf dem Chromosom dargestellt. Durch die Lokalisierung dieser Bereiche innerhalb der Sequenz in Bezug zum genetischen Marker und unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Pachytän-FISH wurde die Strangorientierung von 16 Scaffolds ermittelt. Auf 14 Scaffolds wurden die Abstände der Marker zu den terminalen Sequenzen bestimmt. Der Median betrug etwa 196 kb. Für alle Kopplungsgruppenenden außer dem Norden von LG 2 und LG 4 ist das Vorhandensein weiterer distaler genetischer Marker wahrscheinlich. Satelliten-DNA ist innerhalb einer Art meist homogen, kann jedoch chromosomenspezifische Varianten ausbilden. Auf dem BAC-Marker für Chr 2N wurde durch Southern-Hybridisierung die subtelomerische Sequenzfamilie pAv34 detektiert. Von dem betreffenden BAC wurde eine Subklonbank erstellt. Durch Southern-Hybridisierung wurde der pAv34-Gehalt der Subklone analysiert. Positive Klone wurden sequenziert. Dabei wurden vier verschiedene vollständige pAv34-2N-Monomere detektiert. Im Vergleich mit pAv34-Volllängenmotiven aus der RefBeet 1.0 und dem Datensatz der nicht assemblierten Sequenzen der RefBeet 0.2 bilden die pAv34-2N-Einheiten mit pAv34-Kopien, die verschiedenen in-silico-Chromosomen und Contigs zugeordnet sind, eine Subfamilie. Aus den Sequenzen der Subklone wurden zwei Subklon-Contigs gebildet, die im in-silico-Chromosomenabschnitt von Chr 2N (Bvchr2.un.sca001) positioniert wurden. Dadurch wurden Regionen bisher unbekannter Sequenz entschlüsselt. Abweichungen zwischen den assemblierten Daten und den Subklonsequenzen deuten auf Assemblierungsfehler der Genomsequenz in repetitiven Bereichen hin. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse ermöglichen erstmalig die eindeutige Identifizierung aller B.-vulgaris-Chromosomen unabhängig vom Zellzyklusstadium und im Einklang mit genetischen Informationen. Zytogenetische sind jetzt mit molekularen Daten integrierbar und können verwendet werden, um den chromosomenspezifischen Satelliten-DNA-Gehalt aufzudecken und mögliche chromosomenspezifische Subfamilien zu identifizieren. Sie erlauben, physikalische Abstände zwischen Markern zu ermitteln und die Abdeckung von Kopplungsgruppen im terminalen Bereich zu untersuchen. Die Ergebnisse tragen dazu bei, Marker und nicht zugeordnete Contigs und Scaffolds zu kartieren, Ursachen für Lücken aufzudecken und damit die Sequenzdaten des Zuckerrübengenoms zu einer fortlaufenden, hochqualitativen Sequenz zu assemblieren. Die zytogenetischen Daten bilden zudem die Basis für zukünftige Untersuchungen struktureller Umbauten von Chromosomen, die während der Genomevolution stattfanden.

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