Decena Rodríguez, María Angeles
Contreras Moreira, Bruno (dir.) ; Hernández Molina, Pilar (dir.) ; Catalán Rodríguez, María Pilar (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: En esta tesis doctoral se han llevado a cabo estudios genómicos y filogenéticos de genomas plastídicos, regiones ribosomales nucleares y repeteoma, y análisis morfoanatómicos, para desentrañar las relaciones de parentesco evolutivo entre las especies del género modelo Brachypodium y esclarecer el origen de las especies alopoliploides, además del estudio de genes inducidos por estrés hídrico en especies representativas del género.
DESARROLLO TEÓRICO
Capítulo 1. La filogenética de la gramínea modelo paleártica Brachypodium sylvaticum ha puesto de manifiesto la existencia de dos linajes divergentes de micro-taxones orientales y occidentales.
En este capítulo se han llevado a cabo secuenciaciones mediante Genome skimming del complejo B. sylvaticum y se ha reconstruido su filogenia plastídica y de la región 35S rDNA. Se llevó a cabo al análisis de datación de los linajes descritos a través de estimación de tiempos de divergencia utilizando cinco nodos de calibración secundaria.
Como resultados, los análisis filogenéticos revelaron la presencia de dos linajes divergentes compuestos de diversos micro-taxa en la especie paleártica diploide B. sylvaticum s.l. hasta ahora considerada un grupo monofilético, uno oriental más ancestral (2Ma), con mayores tasas de diversificación y distribución panHimalaya-Pacífico, y otro más reciente occidental (0.97Ma), con una mayor homogenización y distribución Euromediterránea-Siberiana.
Capítulo 2. La cito-filogenómica del complejo de especies de gramíneas Brachypodium revela una diversidad críptica muy divergente y diferentes tendencias de disploidía descendiente antes y después de la poliploidización.
Mediante análisis de citometría de flujo y conteos cromosómicos se determinó el nivel de ploidía de las poblaciones estudiadas. Mediante análisis FISH cromosómico se analizó la presencia de copias de las regiones ribosómica 35S y 5S rDNA, las cuales revelaron una alta congruencia con el nivel de ploídia salvo excepciones donde el número de señales recuperadas era superior al correspondiente por su ploidía, permitiendo inferir, junto al número cromosómico, la posible composición subgenómica de las especies alopoliploides. Dichos resultados han permitido detectar tres nuevos citotipos hexaploides para poblaciones de B. phoenicoides, B. retusum y B. rupestre. Los análisis de secuenciación por baja cobertura (Genome skimming ) permitieron el ensamblado y la posterior anotación de genomas plastídicos, y de las regiones 35S y 5S de las especies en estudio de Brachypodium. Este último ensamblado reveló la presencia de dos subfamilias ribotipícas entre las especies de Brachypodium potencialmente relacionadas con diferentes subgenomas ancestrales y recientes de los alopoliploides B. retusum y B. phoenicoides. Se reconstruyeron las filogenias de máxima verosimilitud para las tres moléculas ensambladas y se construyó y se dató una filogenia robusta basada en las tres moléculas (Plastomas y genes rDNA 35S y 5S), que muestra la divergencia de linajes y subgenomas ancestrales (outcore) B. stacei, B. mexicanum, B. boissieri, B. retusum y B. phoenicoides, y linajes y subgenomas recientes del clado perenne (core perennial) para B. arbuscula, B. sylvaticum oriental y las endémicas afro-asiáticas B. flexum, B. bolusii, B. madagascariense y B. kawakamii, B. sylvaticum occidental, B. retusum, B. pinnatum, B. phoenicoides y B. rupestre.
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Capítulo 3: Contrastar la hipótesis del shock poliploide a través del estudio de la correlación entre el tamaño genómico y la proporción de repeteoma en especies representativas del género Brachypodium con distintos subgenomas y niveles de ploidía
En este capítulo se han llevado a cabo el análisis del ADN repetitivo nuclear mediante el software RepeatExplorer2 en una representación de todos los linajes evolutivos de Brachypodium. Se han caracterizado y cuantificado la composición de elementos repetitivos en 44 muestras de Brachypodium analizadas permitiendo corroborar las tres hipótesis propuestas sobre la variación del tamaño genómico causado por el repeteoma como resultado de la respuesta genómica al shock poliploide. Se evaluó la correlación entre los tamaños genómicos monoploides y las abundancias del repeteoma y se analizó la topología de los genes 5S presentes en las muestras analizas. Se corroboró la contribución de los elementos repetitivos a la diversificación evolutiva de sus tamaños genómicos, y la divergencia y el conservatismo de los elementos repetitivos en el paisaje genómico de las muestras en estudio. Se llevó a cabo un estudio comparativo del repeteoma en todas las muestras para reconstruir filogenias basadas en Neighbor-Joining de cada uno de los elementos compartidos y la obtención de una supernetwork final que permitió evaluar la señal filogenética del repeteoma. La topología de la supernetwork fue congruente con las topologías de otras regiones genómicas, revelando las relaciones entre las especies outcore (B. stacei, B. distachyon, B. hybridum, B. mexicanum y B. boissieri) y la más reciente evolución de las especies del grupo core perenne. Los patrones ribotípicos 5S fueron consistentes con el número y la naturaleza de los subgenomas de las especies diploides y poliploides. Las expansiones y contracciones del repeteoma han sido responsables de las tres respuestas diferentes al ¿choque poliploide¿ en B. mexicanum (expansión exacerbada por proliferación de transposones), B. hybridum (patrón aditivo de repeteomas progenitores por estabilidad genómica postpoliploide) y B. phoenicoides - B. pinnatum (reducción genómica por pérdida de elementos repetitivos mediante posibles recombinaciones).
Capítulo 4: Análisis morfoanatómico de citotipos poliploides crípticos y evolutivamente divergentes de las gramíneas mediterráneas modelo Brachypodium retusum y B. phoenicoides.
El análisis morfoanatómico de citotipos alopoliploides de B. retusum y B. phoenicoides ha detectado una amplia diversidad morfológica entre los dos niveles ploidía descritos para ambos taxones (tetraploide y hexaploide). Se analizaron las muestras a nivel de individuo y población a través de 114 caracteres morfoanatómicos. Siete caracteres vegetativos y reproductores cuantitativos (anchuras de hojas de innovación y bandera y número de venas, número de espiguillas por inflorescencia, y longitud del lema) discriminan a los citotipos 4x y 6x de B. retusum, y cinco (longitudes de glumas, número de anteras, longitud de hoja de innovación y número de nodos del culmo) a los de B. phoenicoides Los individuos tetraploides muestran en general valores menores para estos caracteres que los hexaploides, probablemente como resultado de las distintas dosis génicas y la heterosis. Se llevaron a cabo análisis de componentes principales en 45 caracteres cuantitativos y análisis factoriales de datos mixtos para los caracteres cuantitativos y cualitativos. Los resultados para ambos taxones mostraron un alto solapamiento de muestras de ambas ploidías en los espacios bi- y tri-dimensional multivariantes aunque sugieren la potencial existencia de procesos de micro-especiación en morfotipos crípticos de B. phoenicoides, siendo menos claros en B. retusum.
Capítulo 5: Genómica comparada, evolución y expresión de genes de dehidrinas inducidos por sequía en gramíneas modelo de Brachypodium.
Se llevo a cabo un estudio in silico de genes de dehidrinas en los 4 genomas de referencias disponibles para Brachypodium (B. distachyon, B. stacei, B. hybridum, separados sus dos subgenomas y B. sylvaticum) detectando la presencia de 10 genes dehidrinas (Bdhn). Se estudió la composición bioquímica y estructural de cada gen. Se llevaron a cabo análisis de las relaciones filogenéticas de estos 10 genes dehidrinas en las 4 especies de Brachypodium y genes ortólogos de especies cercanas (Oryza sativa, Aegilops tauschii, Sorghum bicolor, Hordeum vulgare, Triticum aestivum y Zea mays), observándose una evolución de estructuras más ancestrales FSKn (Bdhn1 and Bdhn2) y K*NLS-S (Bdhn10) a más recientes YnSKn (Bdhn3-Bdhn9) y la ocurrencia de dos eventos de duplicaciones génicas en las especies de Brachypodium Además se analizaron 32 ecotipos de B. distachyon y se llevaron a cabo análisis de expresión génica diferencial (DEG) de dehidrinas en condiciones de estrés hídrico, revelando la inducción de la expresión de 4 de los 10 genes Bdhn en condiciones de sequía, y de diferencias significativas entre los DEGs de ecotipos más arídicos y los más mésicos.
Conclusiones:
1. Los análisis filogenéticos revelan la presencia de dos linajes divergentes compuestos de diversos micro-taxa en la especie paleártica diploide B. sylvaticum s.l. hasta ahora considerada un grupo monofilético, uno oriental más ancestral, con mayores tasas de diversificación y distribución panHimalaya-Pacífico, y otro más reciente occidental, con una mayor homogenización y distribución Euromediterránea-Siberiana.
2. Los estudios filogenéticos y citogenéticos de representantes de las 21 especies descritas del género Brachypodium empleando datos combinados de secuenciación a baja cobertura (genome skimming), tamaños genómicos, recuentos cromosómicos y cariotipado FISH, han permitido detectar tres nuevos citotipos hexaploides para poblaciones de B. retusum, B. phoenicoides y B. rupestre, la obtención de dos familias ribotípicas 5S entre las 20 especies y diferentes subgenomas ancestrales y recientes para los alopoliploides B. retusum y B. phoenicoides, y una filogenia robusta basada en tres moléculas (plastoma, y genes rDNA 35S y 5S) que muestra la divergencia de linajes y subgenomas ancestrales outcore para B. stacei, B. mexicanum, B. boissieri, B. retusum y B. phoenicoides, y linajes y subgenomas recientes del clado core perenne para B. arbuscula, B. sylvaticum oriental y las endémicas afro-asiáticas B. flexum, B. bolusii, B. madagascariense y B. kawakamii, B. sylvaticum occidental, B. retusum, B. pinnatum, B. phoenicoides y B. rupestre.
3. 3. El análisis del ADN repetitivo nuclear en una representación de todos los linajes evolutivos de Brachypodium corroboró la contribución de los elementos repetitivos a la diversificación evolutiva de sus tamaños genómicos. Los elementos repetitivos más abundantes en los genomas de Brachypodium fueron los retrotransposones Retand y Tekay. El repeteoma mostró una resolución filogenética en Brachypodium, recuperando la divergencia de los principales linajes del género. Los patrones ribotípicos 5S fueron consistentes con el número y la naturaleza de los subgenomas de las especies diploides y poliploides. Las expansiones y contracciones del repeteoma han sido responsables de las tres respuestas diferentes al choque poliploide en B. mexicanum (expansión exacerbada por proliferación de transposones), B. hybridum (patrón aditivo de repeteomas progenitores por estabilidad genómica postpoliploide) y B. phoenicoides - B. pinnatum (reducción genómica por pérdida de elementos repetitivos mediante posibles recombinaciones)
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4. El análisis morfoanatómico de citotipos alopoliploides de B. retusum y B. phoenicoides ha detectado una amplia diversidad morfológica entre los dos niveles ploidía descritos para ambos taxones (tetraploide y hexaploide). Siete caracteres vegetativos y reproductores cuantitativos (anchuras de hojas de innovación y bandera y número de venas, número de espiguillas por inflorescencia, y longitud del lema) discriminan a los citotipos 4x y 6x de B. retusum, y cinco (longitudes de glumas, número de anteras, longitud de hoja de innovación y número de nodos del culmo) a los de B. phoenicoides. Los individuos tetraploides muestran en general valores menores para estos caracteres que los hexaploides, probablemente como resultado de las distintas dosis génicas y la heterosis. Los datos sugieren la potencial existencia de procesos de micro-especiación en los morfotipos crípticos de B. phoenicoides, siendo menos claros en B. retusum.
5. El estudio genómico comparado y filogenético de genes codificadores de proteínas relacionadas con el estrés hídrico, dehidrinas, en las cuatro especies modelo del género Brachypodium, ha identificado 10 genes dehidrinas en Brachypodium (Bdhn) que se encuentran bajo presión selectiva y se caracterizan por presentar motivos cis-reguladores. El análisis de expresión diferencial en 32 ecotipos de B. distachyon muestra que 4 de los 10 genes Bdhn se expresan en tejido foliar, y son inducidos en condiciones de estrés hídrico, mostrando sobreexpresión en ecotipos tolerantes a la sequía.
Resumen (otro idioma):
DESARROLLO TEÓRICO
Capítulo 1. La filogenética de la gramínea modelo paleártica Brachypodium sylvaticum ha puesto de manifiesto la existencia de dos linajes divergentes de micro-taxones orientales y occidentales.
En este capítulo se han llevado a cabo secuenciaciones mediante Genome skimming del complejo B. sylvaticum y se ha reconstruido su filogenia plastídica y de la región 35S rDNA. Se llevó a cabo al análisis de datación de los linajes descritos a través de estimación de tiempos de divergencia utilizando cinco nodos de calibración secundaria.
Como resultados, los análisis filogenéticos revelaron la presencia de dos linajes divergentes compuestos de diversos micro-taxa en la especie paleártica diploide B. sylvaticum s.l. hasta ahora considerada un grupo monofilético, uno oriental más ancestral (2Ma), con mayores tasas de diversificación y distribución panHimalaya-Pacífico, y otro más reciente occidental (0.97Ma), con una mayor homogenización y distribución Euromediterránea-Siberiana.
Capítulo 2. La cito-filogenómica del complejo de especies de gramíneas Brachypodium revela una diversidad críptica muy divergente y diferentes tendencias de disploidía descendiente antes y después de la poliploidización.
Mediante análisis de citometría de flujo y conteos cromosómicos se determinó el nivel de ploidía de las poblaciones estudiadas. Mediante análisis FISH cromosómico se analizó la presencia de copias de las regiones ribosómica 35S y 5S rDNA, las cuales revelaron una alta congruencia con el nivel de ploídia salvo excepciones donde el número de señales recuperadas era superior al correspondiente por su ploidía, permitiendo inferir, junto al número cromosómico, la posible composición subgenómica de las especies alopoliploides. Dichos resultados han permitido detectar tres nuevos citotipos hexaploides para poblaciones de B. phoenicoides, B. retusum y B. rupestre. Los análisis de secuenciación por baja cobertura (Genome skimming ) permitieron el ensamblado y la posterior anotación de genomas plastídicos, y de las regiones 35S y 5S de las especies en estudio de Brachypodium. Este último ensamblado reveló la presencia de dos subfamilias ribotipícas entre las especies de Brachypodium potencialmente relacionadas con diferentes subgenomas ancestrales y recientes de los alopoliploides B. retusum y B. phoenicoides. Se reconstruyeron las filogenias de máxima verosimilitud para las tres moléculas ensambladas y se construyó y se dató una filogenia robusta basada en las tres moléculas (Plastomas y genes rDNA 35S y 5S), que muestra la divergencia de linajes y subgenomas ancestrales (outcore) B. stacei, B. mexicanum, B. boissieri, B. retusum y B. phoenicoides, y linajes y subgenomas recientes del clado perenne (core perennial) para B. arbuscula, B. sylvaticum oriental y las endémicas afro-asiáticas B. flexum, B. bolusii, B. madagascariense y B. kawakamii, B. sylvaticum occidental, B. retusum, B. pinnatum, B. phoenicoides y B. rupestre.
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Capítulo 3: Contrastar la hipótesis del shock poliploide a través del estudio de la correlación entre el tamaño genómico y la proporción de repeteoma en especies representativas del género Brachypodium con distintos subgenomas y niveles de ploidía
En este capítulo se han llevado a cabo el análisis del ADN repetitivo nuclear mediante el software RepeatExplorer2 en una representación de todos los linajes evolutivos de Brachypodium. Se han caracterizado y cuantificado la composición de elementos repetitivos en 44 muestras de Brachypodium analizadas permitiendo corroborar las tres hipótesis propuestas sobre la variación del tamaño genómico causado por el repeteoma como resultado de la respuesta genómica al shock poliploide. Se evaluó la correlación entre los tamaños genómicos monoploides y las abundancias del repeteoma y se analizó la topología de los genes 5S presentes en las muestras analizas. Se corroboró la contribución de los elementos repetitivos a la diversificación evolutiva de sus tamaños genómicos, y la divergencia y el conservatismo de los elementos repetitivos en el paisaje genómico de las muestras en estudio. Se llevó a cabo un estudio comparativo del repeteoma en todas las muestras para reconstruir filogenias basadas en Neighbor-Joining de cada uno de los elementos compartidos y la obtención de una supernetwork final que permitió evaluar la señal filogenética del repeteoma. La topología de la supernetwork fue congruente con las topologías de otras regiones genómicas, revelando las relaciones entre las especies outcore (B. stacei, B. distachyon, B. hybridum, B. mexicanum y B. boissieri) y la más reciente evolución de las especies del grupo core perenne. Los patrones ribotípicos 5S fueron consistentes con el número y la naturaleza de los subgenomas de las especies diploides y poliploides. Las expansiones y contracciones del repeteoma han sido responsables de las tres respuestas diferentes al ¿choque poliploide¿ en B. mexicanum (expansión exacerbada por proliferación de transposones), B. hybridum (patrón aditivo de repeteomas progenitores por estabilidad genómica postpoliploide) y B. phoenicoides - B. pinnatum (reducción genómica por pérdida de elementos repetitivos mediante posibles recombinaciones).
Capítulo 4: Análisis morfoanatómico de citotipos poliploides crípticos y evolutivamente divergentes de las gramíneas mediterráneas modelo Brachypodium retusum y B. phoenicoides.
El análisis morfoanatómico de citotipos alopoliploides de B. retusum y B. phoenicoides ha detectado una amplia diversidad morfológica entre los dos niveles ploidía descritos para ambos taxones (tetraploide y hexaploide). Se analizaron las muestras a nivel de individuo y población a través de 114 caracteres morfoanatómicos. Siete caracteres vegetativos y reproductores cuantitativos (anchuras de hojas de innovación y bandera y número de venas, número de espiguillas por inflorescencia, y longitud del lema) discriminan a los citotipos 4x y 6x de B. retusum, y cinco (longitudes de glumas, número de anteras, longitud de hoja de innovación y número de nodos del culmo) a los de B. phoenicoides Los individuos tetraploides muestran en general valores menores para estos caracteres que los hexaploides, probablemente como resultado de las distintas dosis génicas y la heterosis. Se llevaron a cabo análisis de componentes principales en 45 caracteres cuantitativos y análisis factoriales de datos mixtos para los caracteres cuantitativos y cualitativos. Los resultados para ambos taxones mostraron un alto solapamiento de muestras de ambas ploidías en los espacios bi- y tri-dimensional multivariantes aunque sugieren la potencial existencia de procesos de micro-especiación en morfotipos crípticos de B. phoenicoides, siendo menos claros en B. retusum.
Capítulo 5: Genómica comparada, evolución y expresión de genes de dehidrinas inducidos por sequía en gramíneas modelo de Brachypodium.
Se llevo a cabo un estudio in silico de genes de dehidrinas en los 4 genomas de referencias disponibles para Brachypodium (B. distachyon, B. stacei, B. hybridum, separados sus dos subgenomas y B. sylvaticum) detectando la presencia de 10 genes dehidrinas (Bdhn). Se estudió la composición bioquímica y estructural de cada gen. Se llevaron a cabo análisis de las relaciones filogenéticas de estos 10 genes dehidrinas en las 4 especies de Brachypodium y genes ortólogos de especies cercanas (Oryza sativa, Aegilops tauschii, Sorghum bicolor, Hordeum vulgare, Triticum aestivum y Zea mays), observándose una evolución de estructuras más ancestrales FSKn (Bdhn1 and Bdhn2) y K*NLS-S (Bdhn10) a más recientes YnSKn (Bdhn3-Bdhn9) y la ocurrencia de dos eventos de duplicaciones génicas en las especies de Brachypodium Además se analizaron 32 ecotipos de B. distachyon y se llevaron a cabo análisis de expresión génica diferencial (DEG) de dehidrinas en condiciones de estrés hídrico, revelando la inducción de la expresión de 4 de los 10 genes Bdhn en condiciones de sequía, y de diferencias significativas entre los DEGs de ecotipos más arídicos y los más mésicos.
Conclusiones:
1. Los análisis filogenéticos revelan la presencia de dos linajes divergentes compuestos de diversos micro-taxa en la especie paleártica diploide B. sylvaticum s.l. hasta ahora considerada un grupo monofilético, uno oriental más ancestral, con mayores tasas de diversificación y distribución panHimalaya-Pacífico, y otro más reciente occidental, con una mayor homogenización y distribución Euromediterránea-Siberiana.
2. Los estudios filogenéticos y citogenéticos de representantes de las 21 especies descritas del género Brachypodium empleando datos combinados de secuenciación a baja cobertura (genome skimming), tamaños genómicos, recuentos cromosómicos y cariotipado FISH, han permitido detectar tres nuevos citotipos hexaploides para poblaciones de B. retusum, B. phoenicoides y B. rupestre, la obtención de dos familias ribotípicas 5S entre las 20 especies y diferentes subgenomas ancestrales y recientes para los alopoliploides B. retusum y B. phoenicoides, y una filogenia robusta basada en tres moléculas (plastoma, y genes rDNA 35S y 5S) que muestra la divergencia de linajes y subgenomas ancestrales outcore para B. stacei, B. mexicanum, B. boissieri, B. retusum y B. phoenicoides, y linajes y subgenomas recientes del clado core perenne para B. arbuscula, B. sylvaticum oriental y las endémicas afro-asiáticas B. flexum, B. bolusii, B. madagascariense y B. kawakamii, B. sylvaticum occidental, B. retusum, B. pinnatum, B. phoenicoides y B. rupestre.
3. 3. El análisis del ADN repetitivo nuclear en una representación de todos los linajes evolutivos de Brachypodium corroboró la contribución de los elementos repetitivos a la diversificación evolutiva de sus tamaños genómicos. Los elementos repetitivos más abundantes en los genomas de Brachypodium fueron los retrotransposones Retand y Tekay. El repeteoma mostró una resolución filogenética en Brachypodium, recuperando la divergencia de los principales linajes del género. Los patrones ribotípicos 5S fueron consistentes con el número y la naturaleza de los subgenomas de las especies diploides y poliploides. Las expansiones y contracciones del repeteoma han sido responsables de las tres respuestas diferentes al choque poliploide en B. mexicanum (expansión exacerbada por proliferación de transposones), B. hybridum (patrón aditivo de repeteomas progenitores por estabilidad genómica postpoliploide) y B. phoenicoides - B. pinnatum (reducción genómica por pérdida de elementos repetitivos mediante posibles recombinaciones)
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4. El análisis morfoanatómico de citotipos alopoliploides de B. retusum y B. phoenicoides ha detectado una amplia diversidad morfológica entre los dos niveles ploidía descritos para ambos taxones (tetraploide y hexaploide). Siete caracteres vegetativos y reproductores cuantitativos (anchuras de hojas de innovación y bandera y número de venas, número de espiguillas por inflorescencia, y longitud del lema) discriminan a los citotipos 4x y 6x de B. retusum, y cinco (longitudes de glumas, número de anteras, longitud de hoja de innovación y número de nodos del culmo) a los de B. phoenicoides. Los individuos tetraploides muestran en general valores menores para estos caracteres que los hexaploides, probablemente como resultado de las distintas dosis génicas y la heterosis. Los datos sugieren la potencial existencia de procesos de micro-especiación en los morfotipos crípticos de B. phoenicoides, siendo menos claros en B. retusum.
5. El estudio genómico comparado y filogenético de genes codificadores de proteínas relacionadas con el estrés hídrico, dehidrinas, en las cuatro especies modelo del género Brachypodium, ha identificado 10 genes dehidrinas en Brachypodium (Bdhn) que se encuentran bajo presión selectiva y se caracterizan por presentar motivos cis-reguladores. El análisis de expresión diferencial en 32 ecotipos de B. distachyon muestra que 4 de los 10 genes Bdhn se expresan en tejido foliar, y son inducidos en condiciones de estrés hídrico, mostrando sobreexpresión en ecotipos tolerantes a la sequía.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: botánica ; genética molecular de plantas ; genética vegetal ; taxonomía vegetal
Titulación: Programa de Doctorado en Ciencias Agrarias y del Medio Natural
Plan(es): Plan 508
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 01 12 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Fecha de embargo : 2025-11-30
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Registro creado el 2024-05-21, última modificación el 2024-05-21
