Universität zu Köln

Thangavel, Gokilavani ORCID: 0000-0001-7985-310X (2023). Evolution of centromere and meiosis in plants. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF (Doctoral Thesis publication) Gokilavani Thangavel_PhD Dissertation_KUPS_01.08.2023.pdf - Accepted Version Download (16MB)

Abstract

The centromere is an essential region of the chromosome and a pre-requisite to ensure faithful segregation of the chromosomes during mitosis and meiosis. Holocentromeres are defined by the presence of several centromeric units along the entire chromosomes. Despite their existence in several animal and plant lineages, very little is known about holocentric chromosomes. The investigation of the holocentric worm Cenorhabditis elegans provided most of the current insights into nature and function of holocentromeres. Considering holocentricity having evolved several times independently, adaptations to its holocentric nature are also expected to be different. The first chapter of the thesis aims to understand the epigenetic regulation of the repeat-based holocentromeres found in several Rhynchospora species belonging to the monocot family, Cyperaceae. Our study discovers that Rhynchospora chromosomes are composed of hundreds of small centromeric units defined by the presence of Tyba repeats associated with CENH3. The increase in H3K9me2 and CHG methylation at the border of each centromeric unit gives the cues about the exact centromere borders. We found this epigenetic regulation is strikingly similar to Arabidopsis thaliana, suggesting the existence of an evolutionarily conserved mechanism regulating repeat-based centromeres of both monocentric and holocentric organisms. We found evidence that holocentricity facilitates karyotype evolution by promoting chromosome fusions in this genus. The second chapter of the thesis aims to understand how holocentricity is linked to the inverted meiosis found in several Rhynchospora species. I studied the cytological localisation of the key candidate genes involved in the protection of the sister centromere cohesion, Recombination 8 (REC8) and Shugoshin (SGO) during inverted meiosis. The signals for both REC8 and SGO begin to appear as early as interphase. They are observed on the chromosomes during leptotene, zygotene, and pachytene stages, and then start to disappear from diplotene. Only residual signals remain from metaphase I. Most importantly, colocalization studies showed no obvious correlation with the centromeric regions for REC8 and SGO. This indicates that the sister centromere cohesion persevered during the metaphase I of canonical meiosis is lost during the metaphase I of inverted meiosis. Moreover, the non-canonical localisation pattern of SGO to chromosomal regions other than centromeres, hints at a possible non-centromeric role in this species. Taken together, our findings support the hypothesis of early centromeric cohesion loss, which allows sister-chromatids to segregate already at anaphase I promoting inverted meiosis. Meiosis is ancestral to all the eukaryotes and, it is expected that most of the meiotic machinery is conserved across different eukaryotic lineages. However, studies elucidating the meiotic machinery in the whole kingdom Plantae are lacking. The third chapter of the thesis provides a detailed phylogenetic analysis of the proteins involved in the meiotic machinery. Most of the proteins were found to be conserved in the major lineages. Interestingly, ASY4, PHS1, PRD2, PRD3 were not detected in distant algal lineages. We could trace the origin of the proteins reported in plants only, DFO and HEIP1 to the ancestor of vascular plants and Streptophyta, respectively. We found that the SPO11 duplication is ancestral to all eukaryotes but lost in the green algal lineages, Chlorophyta and Charophyta. This thesis presents three novel, first of its kind research studies on the unique characteristics of holocentric plants and their meiotic processes. Our findings offered novel insights into the regulation of repeat-based holocentromeres, adaptations to inverted meiosis, and the evolutionary conservation of plant meiotic machinery.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Evolution of centromere and meiosis in plants English
Translated abstract:	Abstract Language Das Zentromer ist eine essenzielle Region des Chromosoms und wird zur Sicherstellung einer korrekten Segregation der Chromosomen während der Mitose und Meiose benötigt. Das Vorhandensein mehrerer zentromerischer Einheiten entlang des gesamten Chromosoms wird als Holozentromer oder Ganzchromosomen-Zentromer definiert. Trotz der Existenz in vielen Tier- und Pflanzenlinien des evolutionären Stamm-baums, ist bisher wenig über holozentromerische Chromosomen bekannt. Studien am holozentrischen Wurm Caenorhabditis elegans lieferten bisher die einzigen wissenschaftlichen Kenntnisse über Natur und Funktion von Holozentromeren. Dass Holozentrizität im Laufe der Evolution mehrere Male unabhängig voneinander entstanden ist, lässt vermuten, dass jeweils spezifische Adaptionen an die holozentromerischen Beschaffenheiten vorhanden sind. Im ersten Kapitel dieer Thesis werden die Ergebnisse der Untersuchung der epigenetischen Regulation der Repeat-basierten Holozentromere, die in einigen Spezies der Rhynchospora aus der Familie der Monokotylen entdeckt wurden, diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Chromosomen der Rhynchospora aus hunderten kleiner zentromerischer Einheiten bestehen, die durch die Anwesenheit von Tyba-Repeats assoziiert mit CENH3 determiniert sind. Die erhöhte Methylierung von H3K9me2 und CHG am Rand jeder zentromerischen Einheit markiert das genaue lokale Vorkommen des Zentromers. Die Ergebnisse der Untersuchungen von Arabidopsis thaliana zeigen auf, dass es bemerkenswerte Ähnlichkeiten in der Beschaffenheit zwischen holo- und monozentrischen Strukturen gibt. Dies deutet darauf hin, dass die Regulation der Repeat-basierten Zentromere evolutionär konserviert und in vielen Organismen einheitlich sein könnte. Die Ergebnisse dieses Kapitels liefern Nachweise, dass Holozentrizität der Chromosomen in diesem Genus die Evolution des Karyotypen fördert. Im zweiten Kapitel dieser Thesis werden die Zusammenhänge zwischen Holozentrizität und invertierter Meiose in verschiedenen Rhynchospora untersucht. Bisher gibt es noch keine Studien, in denen die miotische Maschinerie der Pflanzen untersucht wird. In diesem Kapitel wurde die zytologische Lokalisation der Schlüsselgene, REC8 und SGO, die essenziell zur Kohäsion der Schwesterchromadiden beitragen, im Kontext der invertierten Meiose untersucht. Genannte Gene sind während des Leptotäns, Zygotäns und des Pachytäns auf den Chromosomen zu finden und beginnen dann während des Diplotäns wieder zu verschwinden. Lediglich Spuren des Signals verbleiben über die Metaphase I hinaus. Interessanterweise gibt es keine Hinweise auf eine örtliche Korrelation des Auftretens von der Zentromerregionen für REC8 und SGO. Dies deutet darauf hin, dass die Schwesterchromatidkohäsion bei der kanonischen Meiose konserviert, aber bei der invertierten Meiose in der Metaphase I verlorengegangen ist. Zudem deutet das Vorhandensein von SGO in anderen chromosomalen Regionen als den Zentromeren darauf hin, dass es möglicherweise in dieser Spezies eine andere oder weiterreichende Funktion hat. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese des frühen zentromerischen Kohäsionsverlustes, unter der Schwesterchromatiden bereits in der Anaphase I segregieren, was wiederum zu einer Förderung der invertierten Meiose führt. Die Meiose ist eine spezifische Zellteilung, um haploide Gameten zu erzeugen und deren Vielfalt durch homologe Rekombination zu fördern. Da Meiose in allen eukaryotischen Abstammungslinien evolutionär ursprünglich ist, kann davon ausgegangen werden, dass die meiotische Maschinerie in allen Eukaryoten konserviert ist. Im dritten Kapitel dieser Thesis wird die evolutionäre Geschichte der in die Meiose involvierten Proteine aus phylogenetischer Perspektive untersucht. Sequenzdaten unterschiedlicher Pflanzenlinien wurden verwendet. Die meisten Proteine waren in den größeren Pflanzenlinien konserviert. Bemerkenswerterweise wurden ASY4, PHS1, PRD2 und PRD3 in entfernt verwandten Algen nicht detektiert. Der Ursprung der Proteine, DFO und HEIP1, deren Existenz bisher nur in Pflanzen belegt wurde, konnte bis zu den Vorfahren der Gefäßpflanzen, den Streptophyta, zurückverfolgt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass SPO11 allen Vorfahren der Eukaryoten gemein ist, jedoch in den Abstammungslinien der Chlorophyta und Charophyta verlorengegangen ist. In dieser Thesis werden als erste ihrer Art drei Forschungsstudien der Charakteristiken holozentrischer Pflanzen und ihres meiotischen Prozesses vorgelegt. Sie bieten neue Einblicke in die Regulation Repeat-basierter Holozentromere, Adaptionen an invertierte Meiose und die evolutionäre Konservierung der pflanzlichen Meiose Maschinerie. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Thangavel, Gokilavani gthangavel@mpipz.mpg.de orcid.org/0000-0001-7985-310X UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-706996
Date:	10 August 2023
Publisher:	Online
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language holocentromeres English meiosis English inverted meiosis English phylogeny and homology English epigenetics English cohesion English
Date of oral exam:	25 July 2023
Referee:	Name Academic Title Mercier, Raphael Prof.Dr
Related URLs:	Publication Publication Publication
Funders:	DAAD, Research Grants—Doctoral Programmes in Germany, Max-Planck-Gesellschaft
Projects:	Repeat-based holocentromeres influence the genome architecture and karyotype evolution, Cohesion dynamics during inverted meiosis, Tracing the evolution of the plant meiotic molecular machinery
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/70699