< Terug naar vorige pagina

Project

Doctoraat in de (epi-)genetische regulatie en moleculaire controle van meiotische recombinatie in planten

Meiose is een gespecialiseerde eukaryotische celdeling die zorgt voor het behoud van ploïdie levels tijdens de bevruchting door het halveren van de chromosoom aantallen. Een cruciale stap in meiose is meiotische recombinatie en de vorming van ‘cross-overs’ (CO’s), wat resulteert in de wederzijdse uitwisseling van parentale chromosomen. Deze herschikking van genetisch materiaal zorgt voor de creatie van chromosomen met nieuwe allelcombinaties, en hierdoor is het een belangrijk proces voor plantenveredelingsprogramma’s die gewoonlijk streven naar het overbrengen van gewenste allelcombinaties naar de volgende generatie. Vanwege het belang ervan wordt CO-vorming sterk gereguleerd, met gevolgen voor zowel het aantal gevormde CO’s als hun locatie. Over het algemeen ontvangt elk chromosoom minstens één CO, wat nodig is voor het verzekeren van correcte chromosoom segregatie, maar het totale aantal per chromosoom overschrijdt zelden meer dan drie. Bovendien zijn CO posities niet willekeurig, maar vertonen ze een regionale voorkeur. Hierdoor erven genen die zich in recombinatie-arme gebieden bevinden samen over, wat een belemmering is voor het generen van nieuwe allelcombinaties die gunstig kunnen zijn voor veredelingsdoeleinden. Het doel van dit onderzoeksproject is om onze kennis over de onderliggende mechanismen die deze CO regulatie beheersen te verbeteren, met speciale focus op chromatide en CO interferentie, terwijl we ook de potentiële toepassingen van manipulatie van CO-vorming verkennen in de context van plantenveredeling. 

Onderzoek rond de distributie van CO’s focust zich voornamelijk op de positionering van CO’s langsheen de lengte van de chromosomen, met beperkte kennis over hoe meerdere CO’s verdeeld zijn over de vier chromatiden van een bivalent. Chromatide interferentie (CI) werd voorgesteld als regulatorisch mechanisme dat mogelijks de distributie van meerdere CO’s beïnvloedt naar bepaalde chromatide partners, echter, het bestaan van het mechanisme werd nog niet grondig onderzocht. Daarom bestudeerden wij in een eerste deel van deze thesis wat de rol is van CI in het bepalen van meiotische CO distributie. Hiervoor introduceerden we een nieuw analytisch kader voor de kwantitatieve interpretatie van CI, en maakten gebruik van beschikbare tetrade-gebaseerde genotyperingsdata van Arabidopsis en maïs om mogelijkse effecten van CI te bestuderen, zowel op een genoomwijde als chromosomale schaal. Over het algemeen toonden onze resultaten aan dat er weinig tot geen bias aanwezig was met betrekking tot de chromatide partners die deel uit maken van dubbele CO’s, wat wijst op de afwezigheid van CI. Echter, op genoomwijde schaal bleek CI te variëren met de fysieke afstand tussen CO’s, zij het met verschillende effecten in Arabidopsis en maïs. Hoewel de effecten van CI eerder minimaal waren in beide organismen laat de nieuw geïntroduceerde methode een duidelijke kwantitatieve interpretatie van CI toe, en biedt daarom een waardevolle tool om het mechanisme verder te bestuderen. 

In het tweede deel van deze thesis streefden we ernaar om nieuwe regulatoren van een specifieke klasse CO’s (type I) te identificeren die gevoelig zijn voor CO interferentie (COI). COI is één van de belangrijkste mechanismen die het specifieke CO landschap bepalen door ervoor te zorgen dat CO’s verder uit elkaar plaatsvinden dan wat willekeurig zou worden verwacht. Hoewel reeds meerdere factoren geïdentificeerd zijn die het aantal CO’s van type II (de CO’s die niet gevoelig zijn voor COI) beperken, is er nog weinig gekend over wat de vorming van CO type I beperkt. Daarom hebben we een gerichte zoektocht uitgevoerd naar nieuwe factoren die betrokken zijn bij de vorming van CO klasse I en COI in plantenmeiose door middel van een specifieke screen in Arabidopsis thaliana met behulp van ‘FTL’-lijnen. Dit resulteerde in de identificatie van één mutant, gekenmerkt door een afname in zowel CO frequentie als COI in het I1bc FTL-interval. Verder onderzoek van de mannelijke meiocyten onthulde aanvullende afwijkingen in verband met defecten in de vorming en herstelling van dubbelstrengige breuken (DSB). Door middel van ‘mapping-by-sequencing’ en daarop volgende complementatiestudies konden we de oorzaak van de defecten toewijzen aan een mutatie in AtMER2/PRD3, een gen gekend voor zijn rol in DSB-vorming. Aangezien de meiotische fenotypes in de geïdentificeerde EMS-mutant minder uitgesproken waren in vergelijking met die van de PRD3 ‘knock-out’ mutanten, kan de EMS-mutant als ‘hypomorf’ beschouwd worden, en biedt daarmee een uniek experimenteel platform om de moleculaire functie van PRD3 in Arabidopsis verder te onderzoeken. Dit heeft ons reeds toegelaten om een duale rol van PRD3 in Arabidopsis te ontdekken: naast de reeds gekende functies in DSB-vorming blijkt het proteïne ook een rol te hebben in de herstelling van de DSBs. Of de waargenomen veranderingen in CO-frequentie en COI secundaire effecten zijn of wijzen op een aanvullende functionaliteit van PRD3 moet verder worden onderzocht.

In het derde deel van deze thesis bekeken we het potentieel om via verhoogde recombinatie in F1-ouderlijnen de resolutie van ‘mappingstudies’ te verbeteren. ‘Linkage-gebaseerde mapping’ wordt beschouwd als een waardevolle tool voor het bestuderen van kenmerken die relevant zijn voor plantenveredeling, maar heeft een lage resolutie. Huidige methoden om de resolutie te verhogen vereisen extra arbeid en tijdinvestering, wat de algehele kosten verhoogt. Omdat het aantal vastgelegde CO's in een mapping populatie nauw samenhangt met de resolutie, is het verhogen van recombinatie in de F1-ouderlijnen een interessante optie om de resolutie te verbeteren. Dit resulteert namelijk theoretisch gezien in mapping populaties met een verhoogd aantal CO’s en dus een betere resolutie, zonder de noodzaak van extra tijd en arbeidsinvestering. Hier tonen we aan dat, in Arabidopsis thaliana, het gebruik van 'geavanceerde recombinante' F2-mapping populaties resulteert in aanzienlijke verbeteringen in de mapping prestaties van kwalitatieve kenmerken in vergelijking met een controle F2-populatie. Bovendien behaalden we veelbelovende resultaten voor de verbetering van mapping van kwantitatieve kenmerken. Deze strategie biedt een veelbelovende kans voor vooruitgang in onderzoek naar plantenveredeling.

Samenvattend heeft deze studie aanzienlijke bijdragen geleverd aan onze kennis over CO-regulatie in Arabidopsis-meiose, hoewel vele bevindingen nog meer aandacht vereisen. Als zodanig bieden de inzichten verkregen in deze thesis een solide basis voor lopend onderzoek op het gebied van CO-regulatie, met het potentieel om deze bevindingen te vertalen naar praktische toepassingen in het kader van plantenveredeling.

Datum:15 okt 2018 →  15 jan 2024
Trefwoorden:meiosis, cross-over formation, homologous recombination, genetic variation
Disciplines:Ontwikkelings- en reproductieve biologie van planten, Plantengenetica, Cel- en moleculaire biologie van planten
Project type:PhD project