Karyotype evolution and nuclear organization across the genus Arabidopsis

Abstract

Ergebnisse phylogenetischer Untersuchungen und vergleichender Kartierungen führten zu der Hypothese, dass der Karyotyp von Arabidopsis thaliana (n = 5) von einem ancestralen Karyotyp mit 8 Chromosomenpaaren abgeleitet ist. Diese Hypothese wurde mittels Chromosomen-Painting überprüft. Als Hybridisierungsproben wurden genomische BAC-DANN-Klone von A. thaliana genutzt, die entsprechend den genetischen Kopplungsgruppen von A. lyrata bzw. Capsella rubella (beide n=8) geordnet und gepoolt eingesetzt wurden. Dies ermöglichte es einen ancestralen Karyotyp (n=8) zu definieren und die Mechanismen aufzuklären, die zur Entstehung des Karyotyps von A. thaliana führten. Demnach führte die Reduktion der Chromosomenzahl von 8 auf 5 Paare über folgende Schritte: (i) die Entstehung von akrozentrischen Chromosomen durch perizentrische Inversionen, (ii) reziproke Translokationen mit terminalen Bruchpunkten an denen mindestens ein akrozentrisches Chromosom beteiligt ist und (iii) Eliminierung eines Minichromosomes, das zusätzlich zu dem "Fusions"-Chromosom aus der jeweiligen Translokation hervorging. Weiterhin wurden die Konsequenzen der karyotypischen Unterschiede zwischen A. thaliana und A. lyrata hinsichtlich der Interphasearchitektur in den Zellkernen beider Arten untersucht. Die räumliche Anordnung der Chromosomenterritorien, die Paarung zwischen homologen Chromosomen(-regionen) und die Anordnung der Schwesterchromatiden zueinander erwiesen sich als über ~5 Millionen Jahre hinweg ähnlich zwischen beiden Arten, trotz der Differenz in Chromosomenzahl, -form und Genomgröße. Vergleiche mit der jeweiligen Situation bei Wirbeltieren und bei Drosophila lassen vermuten, dass phylogenetische Nähe von größerer Bedeutung für die Interphasekernarchitektur ist, als es Genomgröße, Sequenzorganisation und/oder die Chromosomenzahl sind. Um Probenmaterial für die umfangreichen Hybridisierungsexperimente ökonomisch gewinnen zu können, wurde die Zeit- und Material-sparende "Rolling circle"-Amplifikation erfolgreich für die Vervielfältigung und Markierung von zirkulären BAC-DNA-Molekülen (einzeln und als Pools) adaptiert.

Within the genus Arabidopsis, currently accepted phylogenies and comparative mapping data suggested that the Arabidopsis thaliana karyotypes (n=5) was derived from an ancestral karyotype with 8 chromosome pairs. To test this hypothesis, chromosome painting using contiguous bacterial artificial chromosome (BAC) pools from A. thaliana and arranged according to A. lyrata and Capsella rubella (both n=8) linkage maps, was applied to A. thaliana. This allowed to define a putative ancestral karyotype (n=8) and to elucidate the evolutionary mechanisms that shaped the karyotype of A. thaliana. It is proposed that chromosome "fusions", reducing the chromosome number from 8 to 5, resulted from (i) generation of acrocentric chromosomes by pericentric inversions, (ii) reciprocal translocation between two chromosomes (at least one of them acrocentric) and (iii) elimination of a minichromosome that arose in addition to the "fusion chromosome". Furthermore, the consequences of karyotypic variations on the interphase nuclei organization of A. thaliana and A. lyrata have been studied. Chromosome territory (CT) arrangement, homologous pairing and sister chromatid alignment were found to be conserved between A. thaliana and A. lyrata despite their divergence ~5 million year ago and in spite of differences in genome size and karyotype structure. Compared to the situation described for vertebrates and for Drosophila, it seems that phylogenetic relationship has a greater impact on the interphase chromosome arrangement than similarities in genome size, sequence organization and/or chromosome number. For the economic execution of the extensive FISH experiments necessary in the above mentioned applications, a time and cost-saving new method was developed to amplify and label large quantities of circular BAC DNA molecules.