Natural variation for phosphate starvation responses in Arabidopsis: new insights from gene expression QTL analyses in a recombinant inbred line population

• Autores: Miguel Miñambres Martín
• Directores de la Tesis: Francisco Javier Paz-Ares Rodríguez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2019
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 123
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias Moleculares por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Ciencias agrarias
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    Las plantas han desarrollado una serie de respuestas adaptativas para acoplar su crecimiento a suelos con baja disponibilidad de Pi, que comprenden adaptaciones fisiológicas y morfológicas y están asociadas a cambios en alrededor del veinte por ciento del transcriptoma. En este estudio nos hemos centrado en el análisis de la variación natural del transcriptoma en respuesta a ayuno de Pi en Arabidopsis. En concreto, hemos analizado el transcriptoma de varios ecotipos en comparación con el ecotipo de referencia Col-0, detectando grandes diferencias en el transcriptoma en respuesta al déficit de Pi. A raíz de este análisis, hemos seleccionado la población RIL Ct-1 x Col-0 para realizar estudios de eQTLs, lo que nos ha permitido identificar 4705 cis- y 4340 trans-eQTLs. Se observó que los cis-eQTLs están distribuidos de una manera bastante uniforme en el genoma, mientras que los trans-eQTLs se agrupan en hotspots. Se encontraron siete hotspots mayores (I-VII), cada uno asociado a la expresión de más de cincuenta genes. Se comprobó que los genes asociados a estos siete hotspots muestran signos de coherencia (ej., patrones de expresión similares, enriquecimiento en ontología genética o en dianas de factores de transcripción específicos), lo que indica que un único regulador es responsable de cada hotspot. También se llevaron a cabo análisis de caracteres fisiológicos relacionados con la PSR, encontrándose dos QTLs independientes que afectan a la acumulación de antocianinas y otro QTL, que colocaliza con el hotspot V y afecta a la acumulación de Pi en la parte aérea, el crecimiento de la raíz y la proporción de crecimiento de la parte aérea respecto al de la raíz, que ya había sido mapeado anteriormente. Por último, se vio que los cis-eQTLs están enriquecidos en genes contiguos. Este descubrimiento fue validado en diferentes accesiones y condiciones en Arabidopsis y también en otras especies de plantas y animales (melón, humanos y mosca de la fruta), lo que indica que este fenómeno se manifiesta en diferentes eucariotas superiores. El análisis de cis-eQTLs en genes contiguos basado en GWAS mostró que una gran parte de este enriquecimiento está causado por cis-eQTLs independientes que actúan sobre cada gen contiguo. Se ha observado una tendencia a que el efecto de los cis-eQTLs que actúan sobre dos genes contiguos sea en la misma dirección (los dos genes bien más o bien menos expresados), lo que apunta a la existencia de fuerzas evolutivas para mantener una expresión balanceada de los genes contiguos (coevolución transcripcional), aparte de la posibilidad de que existan elementos cis compartidos o regulación de genes adyacentes a nivel de la cromatina.

  • English

    Plants have evolved an array of adaptive responses to cope with growth under low Pi conditions, which involve physiological and morphological adaptations and associate with changes in nearby twenty percent of the transcriptome. To contribute to the understanding of PSR, in this study we focused on the analysis of natural variation of the Pi starvation transcriptome of Arabidopsis. Specifically, we performed a transcriptomic analysis of ecotypes, genetically and geographically distant from the reference ecotype Col-0, detecting large differences in the Pi starvation transcriptome. From this analysis we selected the RIL population Ct-1 x Col-0 for eQTL analysis, that allowed the identification of 4705 cis- and 4340 trans-eQTLs. Cis-eQTLs were distributed somewhat uniformly over the entire genome, whereas in the case of trans-eQTLs the distribution was not uniform and, in fact, they were grouped in hotspots; seven major trans-eQTL hotspots (I-VII) were found, each affecting the expression of more than 50 genes. Genes associated to these seven hotspots displayed signs of intrinsic coherence (e.g., shared expression behavior, enrichment in specific GO terms or in targets of specific transcription factors) indicative of a single regulator being responsible for the effect of each hotspot trans-eQTL. We also performed QTL analysis of physiological traits related to the PSR, and found two independent QTLs affecting anthocyanin accumulation and another QTL, colocalizing with hotspot number V, regulating shoot phosphate content, root weight and shoot to root weight ratio, which had been previously mapped. Finally, we found that cis-eQTLs are enriched in neighboring genes. This discovery was validated in different Arabidopsis accessions and conditions and in other plant and animal species (melon, human and fruit fly), indicating that this phenomenon is manifested across higher eukaryotes. GWAS-based analysis of cis-eQTLs of neighboring genes revealed that a large proportion of this enrichment is caused by independent cis-eQTLs acting at each neighboring gene. We observed a tendency of cis-eQTLs acting on adjacent genes to display the same direction of the effect (i.e., both up-regulated or both down-regulated), which points to the existence of evolutive forces to keep balanced expression of neighboring genes (transcriptional co-evolution) beyond those based on cis-element sharing or chromatin level regulation of adjacent genes.