Genome-wide analysis of histone modifiers in tomato: gaining an insight into their developmental roles

BACKGROUND: Histone post-translational modifications (HPTMs) including acetylation and methylation have been recognized as playing a crucial role in epigenetic regulation of plant growth and development. Although Solanum lycopersicum is a dicot model plant as well as an important crop, systematic analysis and expression profiling of histone modifier genes (HMs) in tomato are sketchy. RESULTS: Based on recently released tomato whole-genome sequences, we identified in silico 32 histone acetyltransferases (HATs), 15 histone deacetylases (HDACs), 52 histone methytransferases (HMTs) and 26 histone demethylases (HDMs), and compared them with those detected in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), maize (Zea mays) and rice (Oryza sativa) orthologs. Comprehensive analysis of the protein domain architecture and phylogeny revealed the presence of non-canonical motifs and new domain combinations, thereby suggesting for HATs the existence of a new family in plants. Due to species-specific diversification during evolutionary history tomato has fewer HMs than Arabidopsis. The transcription profiles of HMs within tomato organs revealed a broad functional role for some HMs and a more specific activity for others, suggesting key HM regulators in tomato development. Finally, we explored S. pennellii introgression lines (ILs) and integrated the map position of HMs, their expression profiles and the phenotype of ILs. We thereby proved that the strategy was useful to identify HM candidates involved in carotenoid biosynthesis in tomato fruits. CONCLUSIONS: In this study, we reveal the structure, phylogeny and spatial expression of members belonging to the classical families of HMs in tomato. We provide a framework for gene discovery and functional investigation of HMs in other Solanaceae species

Autopolyploid inheritance and a heterozygous reciprocal translocation shape chromosome genetic behavior in tetraploid blueberry (Vaccinium corymbosum)

Understanding chromosome recombination behavior in polyploidy species is key to advancing genetic discoveries. In blueberry, a tetraploid species, the line of evidences about its genetic behavior still remain poorly understood, owing to the inter-specific, and inter-ploidy admixture of its genome and lack of in depth genome-wide inheritance and comparative structural studies. Here we describe a new high-quality, phased, chromosome-scale genome of a diploid blueberry, clone W85. The genome was integrated with cytogenetics and high-density, genetic maps representing six tetraploid blueberry cultivars, harboring different levels of wild genome admixture, to uncover recombination behavior and structural genome divergence across tetraploid and wild diploid species. Analysis of chromosome inheritance and pairing demonstrated that tetraploid blueberry behaves as an autotetraploid with tetrasomic inheritance. Comparative analysis demonstrated the presence of a reciprocal, heterozygous, translocation spanning one homolog of chr-6 and one of chr-10 in the cultivar Draper. The translocation affects pairing and recombination of chromosomes 6 and 10. Besides the translocation detected in Draper, no other structural genomic divergences were detected across tetraploid cultivars and highly inter-crossable wild diploid species. These findings and resources will facilitate new genetic and comparative genomic studies in Vaccinium and the development of genomic assisted selection strategy for this cro

Evolution of Parallel Spindles Like genes in plants and highlight of unique domain architecture#

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Polyploidy has long been recognized as playing an important role in plant evolution. In flowering plants, the major route of polyploidization is suggested to be sexual through gametes with somatic chromosome number (2<it>n</it>). <it>Parallel Spindle1 </it>gene in <it>Arabidopsis thaliana </it>(<it>AtPS1</it>) was recently demonstrated to control spindle orientation in the 2nd division of meiosis and, when mutated, to induce 2<it>n </it>pollen. Interestingly, <it>AtPS1 </it>encodes a protein with a FHA domain and PINc domain putatively involved in RNA decay (i.e. Nonsense Mediated mRNA Decay). In potato, 2<it>n </it>pollen depending on parallel spindles was described long time ago but the responsible gene has never been isolated. The knowledge derived from <it>AtPS1 </it>as well as the availability of genome sequences makes it possible to isolate potato <it>PSLike </it>(<it>PSL</it>) and to highlight the evolution of <it>PSL </it>family in plants.</p> <p>Results</p> <p>Our work leading to the first characterization of <it>PSLs </it>in potato showed a greater <it>PSL </it>complexity in this species respect to <it>Arabidopsis thaliana</it>. Indeed, a genomic <it>PSL </it>locus and seven cDNAs affected by alternative splicing have been cloned. In addition, the occurrence of at least two other <it>PSL </it>loci in potato was suggested by the sequence comparison of alternatively spliced transcripts.</p> <p>Phylogenetic analysis on 20 <it>Viridaeplantae </it>showed the wide distribution of <it>PSLs </it>throughout the species and the occurrence of multiple copies only in potato and soybean.</p> <p>The analysis of PSL^FHAand PSL^PINcdomains evidenced that, in terms of secondary structure, a major degree of variability occurred in PINc domain respect to FHA. In terms of specific active sites, both domains showed diversification among plant species that could be related to a functional diversification among <it>PSL </it>genes. In addition, some specific active sites were strongly conserved among plants as supported by sequence alignment and by evidence of negative selection evaluated as difference between non-synonymous and synonymous mutations.</p> <p>Conclusions</p> <p>In this study, we highlight the existence of PSLs throughout <it>Viridaeplantae</it>, from mosses to higher plants. We provide evidence that <it>PSLs </it>occur mostly as singleton in the analyzed genomes except in soybean and potato both characterized by a recent whole genome duplication event. In potato, we suggest the candidate <it>PSL </it>gene having a role in 2<it>n </it>pollen that should be deeply investigated.</p> <p>We provide useful insight into evolutionary conservation of FHA and PINc domains throughout plant PSLs which suggest a fundamental role of these domains for PSL function.</p

IDENTIFICAZIONE ED ANALISI FUNZIONALE DI GENI MEIOTICI IN PIANTA

Il lavoro svolto nella presente tesi ha avuto lo scopo di approfondire le conoscenze relative al processo meiotico in una specie modello, Arabidopsis thaliana, e in una specie di interesse agrario, il pomodoro (Solanum lycopersicum). In Arabidopsis sono stati perseguiti due obiettivi in accordo con il progetto europeo “Systematic Analysis of Factors Controlling Meiotic Recombination in Higher Plants (MeioSys)” nell’ambito del quale è stato effettuato, in parte, questo lavoro di tesi: - comprendere il ruolo dell’acetilazione istonica in meiosi; - determinare lo stato dell’acetilazione e della metilazione istoniche nelle fasi della meiosi. Il primo obiettivo è stato perseguito mediante l’analisi sistematica di 31 geni identificati in silico e codificanti per 18 deacetilasi istoniche (HDAC) e 13 acetilasi istoniche (HAT). Tale analisi si è basata sull’impiego di linee di tipo inserzionale (linee SALK e linea CS 31355) o RNAi, ottenute dal NASC. La selezione, effettuata mediante analisi fenotipiche, molecolari e di vitalità pollinica, ha consentito l’identificazione di una linea (CS 31355) che ha un’inserzione nel gene HDA19 e presenta riduzione nella fertilità della siliqua e del polline. Tale linea caratterizzata da anomalie nei processi meiotici dell’appaiamento, formazione dei crossing-over e segregazione, evidenzia un ruolo meiotico per la deacetilasi istonica HDA19 e analogie con il mutante iper-acetilato Atmcc1, precedentemente caratterizzato presso l’IGV di Portici. Indagini bioinformatiche hanno indicato che altri geni codificanti HDAC, HDA6 ed HDA7, erano candidati ad avere un ruolo in meiosi. La linea RNAi per il gene HDA6 e quella inserzionale per HDA7 non hanno presentato anomalie né a livello fenotipico nè di fertilità pollinica. I dati derivanti dall’analisi di espressione hanno indicato che la linea RNAi per HDA6 non è effettivamente un “null mutant” e che la linea SALK per HDA7 ha questo gene sovraespresso con l’inserzione che agisce come ‘activation-tagging’. Per entrambe le deacetilasi non è possibile, quindi, escludere un loro ruolo in meiosi. In conclusione, tramite l’impiego delle linee SALK ed RNAi è stata identificata una deacetilasi istonica (HDA19) con ruolo in meiosi, pur essendosi evidenziate alcune limitazioni legate alle caratteristiche delle linee stesse. Infatti le linee SALK non sempre hanno rispettato le caratteristiche indicate dal NASC rispetto allo stato genetico dell’inserzione. Inoltre, in alcuni casi, si sono verificate l’assenza dell’inserzione o la presenza di inserzioni in più geni. Il secondo obiettivo è stato quello stabilire lo stato dell’acetilazione e, parzialmente, della metilazione istoniche durante la microsporogenesi in Arabidopsis non essendo mai stato descritto in pianta. A questo scopo sono stati impiegati anticorpi in grado di riconoscere i residui di lisina (K) acetilati sull’istone H3 (H3K9K14; H3K9) ed H4 (H4K5; H4K16) e trimetilati sull’istone H3 (H3K4). I risultati hanno mostrato che gli istoni H3 ed H4 sono acetilati nelle diverse fasi meiotiche e che l’acetilazione dell’H3 è più debole nella sottofase zigotene. Questa osservazione è in accordo con i dati di letteratura, in base ai quali risulta che un basso livello di acetilazione dell’H3 in profase I è necessario per una corretta progressione della meiosi. Anche l’acetilazione dell’H4 è risultata stabile laddove era ipotizzabile una dinamica, soprattutto per il residuo K16, in relazione al comportamento dei cromosomi. È infatti noto che l’acetilazione della lisina 16 dell’H4 ha un ruolo nella decondensazione della cromatina. Per la metilazione del residuo K4 dell’istone H3 risulta trimetilato in tutte le fasi della meiosi e non è presente sull’eterocromatina in accordo con l’osservazione che l’H3K4me3 è una modifica associata all’eucromatina. I risultati ottenuti confrontati con quelli della meiosi di mammifero hanno mostrato che i pattern delle modifiche istoniche nella meiosi in pianta sono differenti. Questo potrebbe indicare una diversificazione nella regolazione della cromatina e riflettere le differenze tra i pattern di crescita e sviluppo delle piante rispetto ai mammiferi. La relativa stabilità delle modifiche istoniche durante la meiosi considerata nella presente tesi a livello globale, tuttavia, non esclude che possano esserci variazioni a livello locale. In Solanum lycopersicum l’obiettivo del lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto MIUR Genopom, è stato la messa a punto di una strategia di Laser Microdissection Microarray (LMM) per identificare geni espressi in meiosi, con particolare interesse per quelli responsabili dell’acetilazione/deacetilazione istonica in pomodoro. Il confronto è stato effettuato tra le cellule madri del polline (microsporociti) nello stadio pre-meiotico/meiotico e le microspore nello stadio uni- e bi-nucleato. Questo approccio, che combina la tecnologia Laser Capture Microdissection (LCM) e l’analisi microarray, ha consentito l’isolamento di 268 geni, di cui 112 specifici e 156 up-regolati durante la meiosi di pomodoro. L’annotazione di questi geni, sebbene parziale e rappresentativa di una parte del genoma, ha indicato la presenza, tra i geni meiosi-specifici, di due geni noti per essere espressi in meiosi, meiotic serine proteinasi e rad51. Questo risultato, insieme all’assenza di geni specifici del tappeto, la cui presenza sarebbe stata indice di cellule diverse dai meiociti, evidenzia la specificità del tipo di cellule isolate con LCM. L’annotazione, infine, ha consentito di individuare due deacetilasi istoniche espresse in maniera specifica nei meiociti e dunque con un putativo ruolo in meiosi