Mariana Carchilan

Transcriptional analysis of rye B chromosomes

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 03.07.2008

Abstract
B Chromosomen (Bs) sind überzählige Elemente, welche nicht mit den Autosomen in der Meiose paaren. Sie vererben sich nicht nach den Mendelschen Regeln und haben ihre eigene evolutionäre Entwicklung. Ein spezifisches Merkmal der Roggen Bs ist, dass sich ihre Schwesterchromatiden in der ersten Pollenkornmitose sowie ersten Eizellmitose nicht teilen. Genetisch betrachtet gelten B Chromosomen generell als funktionslos. Mit Hilfe der cDNA-AFLP-Methode konnten Transkripte, größtenteils Transposons, nachgewiesen werden, welche eine hohe Ähnlichkeit zu Sequenzen zeigten, die auf A Chromosomen liegen. Von mehr als 60 Primer-Kombinationen, welche für die cDNA-AFLP-Methode genutzt wurden, konnten 9 potentielle B-spezifische Transkripte mit schwacher Transkriptionsaktivität auf B Chromosomen nachgewiesen werden.
Der heterochromatische, subtelomerische Bereich des Roggen B Chromosoms ist durch eine hohe Konzentration von spezifischen repetetiven Sequenzen gekennzeichnet. Die repetetiven Sequenzen D1100 und E3900 interkalieren mit degenerierten transposablen Elementen. B Chromosomen mit fehlendem subtelomerischen Bereich, zeigen in der ersten Mitose nach der Meiose eine normale Teilung der Schwesterchromatiden.
Northern-Hybridisierung und RT-PCR zeigen, dass beide B-spezifische Sequenzen in Wurzeln, Blättern und Antheren transkribiert werden. Der höchste Transkriptionsgrad wurde in meiotischem Gewebe beobachtet. Das Fehlen eines offenen Leserahmens und die unterschiedliche Größe der Transkripte deuten darauf hin, dass die Transkripte der Sequenzen D1100 und E3900 nicht kodierende RNA repräsentieren und wahrscheinlich strukturelle und/oder regulatorische Funktionen ausüben.

B chromosomes (Bs) are supernumerary elements which do not pair with autosomes at meiosis. They have a non-Mendelian mode of inheritance, and appear to follow their own separate evolutionary pathway. A specific feature of rye Bs is that their sister chromatids do not separate at first pollen grain as well as first egg cell mitosis. Generally B chromosomes have been considered genetically, though not functionally, inert. By cDNA-AFLP we could detect transcripts coming from rye Bs, mostly transposons, which show high similarity to sequences located on A chromosomes. Out of more than 60 primer combinations used for cDNA-AFLP, we detected 9 putative B-specific transcripts, indicating weak transcriptional activity of B chromosomes.
One of the most distinctive region of rye B chromosomes is a heterochromatic subtelomeric domain that contains a high concentration of B chromosome-specific repeat sequences: D1100 and E3900 intercalated with degenerated transposable elements. The deleted Bs which lack the subtelomeric domain, where D1100 and E3900 are located, separate normally in the first mitosis after meiosis.
Northern hybridization and RT-PCR indicate that both repeats are transcribed in roots, leaves and anthers. The highest transcription level was observed in meiotic tissue. The lack of any significant open frame and the heterogeneous size of the transcripts indicates that the transcripts coming from D1100 and E3900 represent non-coding RNA which may function as structural or regulatory RNA.

Keywords:
B Chromosomen, nicht Mendelsche Vererbung, keine Teilung der Schwesterchromatiden, Transkriptionsaktivität, repetetive Sequenzen, Transposons, Chromatinzusammensetzung, Histonmodifikationen, aktives Heterochromatin, nicht kodierende RNA

B chromosomes, non-Mendelian inheritance, nondisjunction of sister chromatids, transcriptional activity, repetitive sequences, transposons, chromatin composition, histone modifications, active heterochromatin, non-coding RNA

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Inhaltsverzeichnis
Front page, Content, Abbreviations, List of figures, List of tables (1-9)
1. Introduction (10-31)
2. Aims of the thesis (32)
3. Material and methods (33-45)
4. Results (46-75)
5. Discussion (76-85)
6. Summary (86-87)
7. Zusammenfassung (88-89)
8. Outlook (90)
9. Literature (91-106)
Publications (107)
Appendix