title: Rinse and repeat: genome dynamics following repeated allopolyploidzation in marsh orchids (Dactylorhiza)
Creators: name: Eriksson, Mimmi Cecilia
Publisher: name: :none
Year: 2022

description: Der Prozess der Allopolyploidisierung, welcher das Zusammenschmelzen zweier divergenter Sets von Genomen in einem Zellkern beschreibt, ist mit mehreren genomischen Hürden behaftet, bietet jedoch auch für Organismen die Möglichkeit neue Merkmale zu entwickeln. Im Fokus dieser Arbeit stehen dabei zwei miteinander verbundene Arten von genomischen Elementen: (a) Transposons (TEs) und (b) kleine nicht-kodierende RNAs (smRNAs) und deren Auftreten nach einem oder mehreren Allopolyploidie-Events. Die Dynamiken dieser Elemente nach einer Allopolyploidie wurden bereits anhand vieler Arten und in verschiedenen Stadien der Polyploidie, wie bspw. von re-synthetisierenden Allopolyploidien bis hin zu Neo-, Meso- und Paläopolyploidien, untersucht. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse über die Prozesse der Allopolyploidie innerhalb mehrerer Schwesterarten. Hierbei wurden allopolyploide Schwesterarten der Gattung der Knabenkräuter (Dactylorhiza) unterschiedlichen Alters miteinander verglichen. Diese entstanden durch eine unidirektionale Hybridisierung zwischen D. incarnata (paternal) und D. fuchsii (maternal). Zunächst wurde die Stochastizität der TEs und die Theorie eines `Aktivitätsschubes' nach der Allopolyploidisierung untersucht. Die Genomgrößen und der Gehalt von repetitiven Elementen von fünf allotetraploiden Geschwistern (D. baltica, D. majalis, D. praetermissa, D. purpurella und D. traunsteineri) mit einem Alter von ca. 530 Generationen (D. purpurella) bis ca. 104k Generationen (D. majalis) sowie derer diploiden Elternarten (D. fuchsii und D. incarnata) wurden analysiert. Die Vergleichsanalyse erwies eine Zunahme der Genomgröße, sowie des Gehalts von repetitiven Elementen in den Tochterarten. Bei der jüngsten Art (D. purpurella) lagen sowohl die Genomgröße als auch der repetitive Gehalt nahe an der elterlichen Additivität, was darauf hindeutet, dass die Zunahme nicht unmittelbar nach der Allopolyploidisierung erfolgte. Darüber hinaus ist die beobachtete Zunahme der Genomgröße das Ergebnis vieler kleiner Veränderungen an Retrotransposons mit langen terminalen Repeats (LTR) und wird hauptsächlich durch die Zunahme der Häufigkeit eines mutmaßlichen Tandem-Repeats angetrieben, welches wahrscheinlich von einem nicht autonomen transponierbaren Miniatur-Inverted-Repeat-Element (MITE) stammt. Dieses Ergebnis widerspricht der Hypothese eines `Aktivitätsschubes' von Transposons nach Allopolyploidiserungsevents im Knabenkraut und deutet auf die Aufrechterhaltung einer starken Kontrolle der TEs nach der Allopolyploidie hin. Die enorme Genomgröße dieser Artgruppe und eine damit verbundene starke Selektion gegen weitere Ausdehnungen des Genoms, könnte eine Erklärung für diese Beobachtung sein. In einer weiteren Studie haben wir zwei der ökologisch unterschiedlichen Geschwister-Allopolyploide, nämlich D. traunsteineri und D. majalis, und ihre elterlichen Diploide (D. fuchsii und D. incarnata) vergleichend analysiert, um die regulatorischen Auswirkungen von smRNAs auf Gene und TEs nach Allopolyploidisierung zu untersuchen. Ziel war es, die regulatorischen Auswirkungen von smRNAS auf Gene und TEs nach einer Allopolyploidisierung zu untersuchen. Unsere Erkenntnisse resultierten, dass die allopolyploiden Schwesterarten trotz ihres unabhängigen Ursprungs einen großen Teil der smRNA-Targeting-Effekte gemeinsam zu nutzen scheinen. Wir konnten beispielsweise Hunderttausende von Genomregionen aufdecken, die in allen untersuchten Arten durchgängig von smRNAs beeinträchtigt wurden. Darüber hinaus wird die überwiegende Mehrheit der transgressiven smRNA-Targetings in den allopolyploiden Arten im Vergleich zu den diploiden Eltern konsequent überexprimiert, dies betrifft Gene, welche eine Rolle bei der Reaktion auf biotischen und abiotischen Stress, sowie bei der Regulierung der Genaktivität und des mitotischen und meiotischen Zyklus spielen. In den Fällen mit Unterschieden zwischen den Allopolyploiden, beobachteten wir am häufigsten eine stärkere Regulierung durch smRNAs im älteren allopolyploiden D. majalis im Vergleich zum jüngeren D. traunsteineri, bei einer gleichzeitig stärkeren Abweichung von der Additivität bei D. traunsteineri. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass (a) die smRNA-Regulierung in hohem Maße vererbt wird und (b) dass das jüngere Allopolyploid noch immer von einigen der genomischen Hürden betroffen zu sein scheint, welche der Allopolyploidisierung folgen.
description: Allopolyploidization, a process merging the full set of two divergent genomes into one nucleus, creates several genomics hurdles to overcome, but also opportunities to evolve new features. This thesis focuses, on a broad scale, on two inter-related genomics aspects following allopolyploidization: (a) transposable elements (TEs) and (b) small non-coding RNAs (smRNAs). Genomic dynamics following allopolyploidy have received much attention and have been investigated in many species at different stages of polyploidy, from resynthesized allopolyploids, to neo-, meso- and paleopolyploidy. This thesis adds a missing piece in the allopolyploid research by comparing sibling allopolyploid species of different ages, formed by unidirectional hybridizations between Dactylorhiza incarnata (paternal) and D. fuchsii (maternal). First, the stochasticity of TEs and the theory of an ‘activity burst’ following allopolyploidization is investigated. The genome sizes and repetitive content for five sibling allotetraploids (D. baltica, D. majalis, D. praetermissa, D. purpurella and D. traunsteineri) ranging in age from ca. 530 generations (D. purpurella) to ca. 104k generations (D. majalis), and the parental diploid species (D. fuchsii and D. incarnata) were analysed. An increase in genome size and repeat content compared to parental additivity was observed. For the youngest species (D. purpurella) both genome size and repeat content was close to parental additivity suggesting that the increase does not follow immediately after allopolyploidization. Additionally, the observed increase in genome size is a result of many small changes across long terminal repeats (LTR) retrotransposons, and it is mainly driven by the increase in abundance of a putative tandem repeat, likely derived from a non-autonomous miniature inverted-repeat transposable element (MITE). Therefore, our findings do not support the theory of an ‘activity burst’ across TEs in marsh orchids, and suggest maintenance of a strong control of TEs following allopolyploidization in Dactylorhiza. This could be related to the relatively large genome sizes in this group, likely associated with strong selection against further genomic expansions. Further, we comparatively investigate two of the sibling, ecologically-divergent allopolyploids, namely D. traunsteineri and D. majalis, and their parental diploids (D. fuchsii and D. incarnata) to address the regulatory effects of smRNAs on genes as well as TEs following allopolyploidization. We found that, despite their independent origins, a large portion of smRNA targeting appears shared between the sibling allopolyploids. For example, we uncover hundreds of thousands of genomic regions consistently targeted by smRNAs across all species investigated. In addition, the great majority of transgressive smRNA targeting in the allopolyploids is consistently overexpressed compared to the diploid parents, affecting genes with a role in response to biotic and abiotic stress, and regulation of gene activity and of the mitotic and meiotic cycles. In cases where there are differences between the allopolyploids, we observed most often a higher regulation by smRNAs in the older allopolyploid D. majalis compared to the younger D. traunsteineri, but a stronger departure from additivity for D. traunsteineri. Our findings suggest (a) a high level of inheritance of smRNA regulation, and (b) that the younger allopolyploid appears to still be affected by some of the genomics hurdles that followed allopolyploidization.