Experimental verification of histone gene proliferation in the Cuscuta genus

Abstract

Angiosperm-genomer er svært varierende både i størrelse og innhold. I evolusjonen av plantegenomer er denne variasjonen for det meste drevet av forskjeller i forfedres ploiditet og spredning av transposoner. En analyse av fullstendig genomdata fra de nylig sekvenserte parasittiske planteartene Cuscuta campestris og C. monogyna indikerer at ikke bare de to nært beslektede artene varierer mye i genomstørrelse, men også i antall medlemmer av noen genfamilier. Forskjellene ser ut til å gjelde spesielt for gener som koder for de fire forskjellige histonvariantene som utgjør nukleosomkjernen, histonene H2A, H2B, H3 og H4. Siden C. monogyna har et mye større genom enn C. campestris, har indikasjonen på betydelig høyere mengder histongener i C. monogyna ført til spekulasjoner om at det kan være en sammenheng mellom genomstørrelse og mengden histongener i planteriket. Imidlertid er det muligheten for at den indikerte forskjellen i mengden histongener kan være forårsaket av artefakter som følge av feil under sammensetning av sekvenser. Ved å bruke Southern Blotting- og RT-qPCR-metodene hadde jeg til hensikt å eksperimentelt verifisere spredningen av histongener i C. monogyna. Southern Blotting viste seg å ha visse begrensninger på grunn av den store størrelsen på genomet til C. monogyna, og kunne ikke gi en klar indikasjon på mengden histongener. Resultatene av RT-qPCR viser at det er en økning i histongener i C. monogyna sammenlignet med C. campestris. Mengden histongener kunne ikke kvantifiseres nøyaktig, og mer arbeid er nødvendig for å gi et klart bilde. I løpet av dette prosjektet har jeg også undersøkt, ved gjennomgang av vitenskapelige publikasjoner og bioinformatisk analyse av andre plantegenomer, om en spredning av histongener kan være en trend blant planter som har større genomer. Mine funn viser en klar trend i høyere mengder histongener i planter med større genom. Dette kan tyde på at en høyere mengde histongener er gunstig for å pakke større mengder DNA i kjernen.

Angiosperm genomes are highly variable both in size and content. In the evolution of plant genomes, this variety is mostly driven by differences in ancestral ploidy and proliferation of transposons. An analysis of complete genome data from the recently sequenced parasitic plant species Cuscuta campestris and C. monogyna indicate that not only do the two closely related species vary widely in genome size, but also in the number of members of some gene families. The differences seem to be especially true for genes encoding the four different histone variants that make up the nucleosome core, histones H2A, H2B, H3 and H4. As C. monogyna has a much larger genome than C. campestris, the indication of significantly higher amounts of histone genes in C. monogyna has led to the speculation that there might be a correlation between genome size and the amount of histone genes in the plant kingdom. However, there is the possibility that the indicated difference in the amount of histone genes could be caused by artifacts resulting from sequence assembly errors. Using the Southern Blotting and RT-qPCR methods, I intended to experimentally verify the proliferation of histone genes in C. monogyna. Southern Blotting proved to have certain limitations due to the large size of the genome of C. monogyna and could not give a clear indication regarding the amount of histone genes. The results of RT-qPCR show that there is an increase in histone genes in C. monogyna compared to C. campestris. The amount of histone genes could not be quantified exactly, and more work is needed to give a clear picture. During this project, I have also investigated, by review of scientific publications and bioinformatic analysis of other plant genomes, if a proliferation of histone genes could be a trend among plants that feature larger genomes. My findings show a clear trend in higher amounts of histone genes in plants with larger genomes. This could indicate that a higher amount of histone genes is beneficial for packing larger amounts of DNA in the nucleus.