Universität zu Köln

Rana, Shivani (2020). Genomics analyses in kelp species. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Kelps are large brown algae in the order Laminariales. Kelp species have different distribution ranges along temperate to Polar rocky coastal lines. We sequenced DNA from three Laminaria species namely Laminaria digitata, Laminaria solidungula and Laminaria rodriguezii. Laminaria digitata is found in the Northern Atlantic region with a southern boundary in Brittany (France) or Massachusetts (USA) and a northern boundary in the Artic. Laminaria solidungula is endemic to the Artic and Laminaria rodriguezii is restricted to deep waters of Mediterranean Sea. Currently, not much is known about the nuclear and organellar genomes of kelp species. To initiate the analysis of sequencing data in kelp species the organellar genomes of Laminaria species were generated. The mitochondrial and chloroplast genomes of Laminaria rodriguezii and Laminaria solidungula, and chloroplast genome of Laminaria digitata were analysed and compared with phylogenetic trees derived from publicly available complete mitochondrial and chloroplast kelp genomes. All analysed kelp organellar genomes were found collinear, where large insertion, deletion (indels) or rearrangements were rare with some essential exceptions. Laminaria rodriguezii is very closely related to the North Atlantic temperate to Arctic Laminaria digitata according to the chloroplast and mitochondrial phylogeny. In the mitochondrial genome of Laminaria rodriguezii a stretch of more than 700 base pairs was found, which was not present in any other kelp sequenced so far. The translated Open Reading Frame (ORF) matches a protein coding region in the mitochondrial genome from Desmarestia viridis, a brown seaweed with a cold-temperate to Arctic distribution in the order Desmarestiales, which is closely related to the Laminariales. The high similarity of overlapping parts of two ORFs suggests that it originated through independent introduction, potentially by infection with similar mitoviruses, which is currently known in fungi and plants only. In the chloroplast genomes of Laminaria solidungula a small rearrangement at the inverted repeat regions was found. These rearrangements led to the pseudogenisation of ycf37 gene in Laminaria solidungula, a gene possibly required under high light conditions. This defunct gene might be one of the reasons why the habitat ranges of Laminaria solidungula is restricted to lowlight sublittoral sites in the incomplete lineage sorting of chloroplast genomes in kelp species. This work laid the foundation for analysis of nuclear genome (ca. 400Mb) of Laminaria digitata. The Single nucleotide polymorphism analysis yielded a first glimpse into the population diversity of this species. The draft genome analysis of Laminaria digitata will be part of the comprehensive analysis of brown algal genomes in the framework of the international Phaeoexplorer project led by the Biologigue de Roscoff in France.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Braunalgen sind große Seetange in der Ordnung der Laminariales. Die Arten der Seetange haben verschiedene Verbreitungsgebiete von gemäßigten Zonen zu polaren felsigen Küstenlinien. Wir sequenzierten DNA von drei Braunalgenarten, nämlich Laminaria digitata, Laminaria solidungula und Laminaria rodriguezii. Laminaria digitata findet sich in einer Region im nördlichen Atlantik mit der Bretagne (Frankreich) oder Massachusetts (USA) als südlichen Grenze und der Arktis als nördlichen Grenze. Laminaria solidungula ist endemisch in der Arktis und Laminaria rodriguezii ist beschränkt auf die Tiefenwasser des Mittelmeers. Derzeit ist wenig über das Kern- und Organellengenom bekannt. Um die Sequenzierungsdaten in Braunalgenarten initial zugänglich zu machen und erste Resultate zu generieren, wurden Organellengenome von Laminaria-Arten erzeugt. Mitochondriale Genome und Chloroplastengenome von Laminaria rodriguezii, Laminaria solidungula und Chloroplastengenom von Laminaria digitata wurden analysiert und mit vollständigen Genomen der Mitochondrien und Chloroplasten von Seetangen, die öffentlich verfügbar sind verglichen. Dazu wurden phylogenetische Bäume berechnet. Es stellte sich heraus, dass alle analysierten Organellengenome der Braunalgen kollinear waren, wo große Insertionen, Deletionen (Indels) oder Rearrangements sind selten mit einigen wichtigen Ausanahmen. Laminaria rodriguezii steht in enger Beziehung zu der im gemäßigten bis arktischen nördlichen Atlantik vorkommenden Laminaria digitata gemäß der Chloroplasten- und Mitochondrienphylogenie. Im mitochondrialen Genom von Laminaria rodriguezii wurde ein Abschnitt von mehr als 700 Basenpaaren gefunden, der nicht in den anderen bisher sequenzierten Braunalgen vorhanden ist. Der übersetze offene Leserahmen (OLR) stimmt mit einer Proteinkodierenden Region im Mitochondriengenom von Desmarestia viridis überein, eine Braunalge mit einem kalt-gemäßigten bis arktischen Verbreitungsgebiet in der Ordnung der Desmarestiales, die eng verwandt mit den Laminariales ist. Die hohe Ähnlichkeit der sich überschneidenden Abschnitte der zwei OLR legt nahe, dass es durch unabhängige Insertionen hervorgebracht wurde, möglicherweise durch die Infektion mit ähnlichen Mitoviren, die gegenwärtig nur in Pilzen und Pflanzen bekannt ist. Im Chloroplastengenom von Laminaria solidungula wurde ein kleines Rearrangement in der inverted Repeats-Region gefunden. Dieses Rearrangement führte zur Pseudogenisierung des ycf37-Gens in Laminaria solidungula, einem Gen das möglicherweise unter besonders hellen Lichtbedingungen benötigt wird. Dieses nicht mehr bestehende Gen könnte einer der Gründe sein, weshalb der Lebensraum der Laminaria solidungula auf sublitorale Zonen mit schwachen Lichtverhältnissen im unvollständige lineage sorting beschränkt ist. Diese Arbeit legt die Grundlage für die Analyse von Kerngenomen (ca. 400Mb) von Laminaria digitata. Die Einzelnukleotide-Polymorphismus Analyse ergab einen ersten Eindruck der Populationsdiversität dieser Arten. Die Genomanalysis von Laminaria digitata wird im Rahmen des internalen Projekts Phaeoexplorer Teil einer umfassenden Analyse von Braunlagengenomen sein, welches von Biologigue de Roscoff in Frankreich geführt wird. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rana, Shivani srana1@uni-koeln.de and shivanirana.jps19288@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-305378
DOI:	10.1002/ece3.5428
Date:	2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Biochemistry
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language kelp, brown algae, YCF37 gene, mitoviruses, Laminaria species, Laminaria digitata, Laminaria solidungula, Open reading frame (ORF) English UNSPECIFIED English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	27 October 2020
Referee:	Name Academic Title Bonkowski, Michael Prof. Dr. Eichinger, Ludwig Prof. Dr. Burkhard, Becker Prof. Dr. Wegener, Raimund Prof. Dr.
Projects:	MARFOR (Functional variability and dynamics of responses of marine forests to global change)
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/30537