Homeolog regulation in hexaploid wheat

Abstract

Bread wheat (Triticum aestivum L.) is an allohexaploid hybrid composed of three closely related diploid subgenomes (AABBDD, 2n=6x=42). For most genes, bread wheat therefore has three gene copies, referred to as homeolog triplets. Normally there is no need for maintaining several copies of a gene performing the same function. This means that two of the copies are free to evolve, leading to diverged gene expression between homeologs. Previous studies have found that in some of the triplets there is differential expression between homeologs, but which subgenome that is preferentially expressed varies between tissues. However, no one has really focused on developmental regulation of the subgenomes, which is the main topic of this thesis. In this thesis two RNA-seq datasets from different tissues and developmental stages were used to investigate subgenome divergence both in steady state expression levels, and in developmental regulation through tests for temporal changes in expression within tissues. The proportion of homeologous genes with differential expression between pairs of subgenomes varied from 25% to 50% depending on the tissue. In all tissues, the largest number of differentially expressed homeologs was between the A and B subgenomes. This suggests that these two subgenomes are least related, thereby confirming previous results regarding the evolutionary history of bread wheat. Interestingly, although the expression levels varied between homeologs on different subgenomes, the developmental regulation was very similar. For example, a triplet could have significantly higher leaf expression in the D subgenome compared to the A and B subgenomes, while still exhibiting significant up-regulation in all subgenomes from one time point to the next during leaf development. The highly similar regulation of bread wheat subgenomes demonstrated in this thesis, coupled with the fact that subgenome expression levels often are highly variable, suggests that epigenetic regulation is a more important mechanism underlying subgenome specific differences in expression levels, compared to regulatory logics hard-wired in the DNA.

Brødhvete (Triticum aestivum L.) er en allohexaploid hybrid bestående av tre nært beslektede diploide subgenomer (AABBDD, 2n=6x=42). Hvete har derfor tre kopier av de fleste gener. Disse blir omtalt som homeologe tripletter. Vanligvis er det ikke behov for å ivareta tre genkopier som utfører den samme funksjonen. Dette gir to av kopiene muligheten til å evolvere, som igjen kan føre til divergering i genuttrykk mellom homeologe gener. Tidligere studier har vist at det er differensielt uttrykk mellom homeologer i noen tripletter, men hvilket subgenom som er høyest uttrykt varierer mellom vev. Det vært lite fokus på hvordan subgenomene reguleres under utviklingen av hvete, som er hovedtemaet for denne oppgaven. I denne oppaven ble det brukt to RNA-seq datasett med genuttrykk fra ulike vev og utviklingsstadier til å undersøke hvor like subgenomene er med hensyn til både hvor høyt genene er uttrykt og regulering av genene mellom ulike tidspunkter under hvetens utvikling. Andelen homeologe gener med differensielt uttrykk varierte mellom 25% og 50%, avhengig av vev. Antallet var høyest mellom A og B subgenomene i alle vevene, noe som tyder på at disse to subgenomene er minst i slekt og som dermed bekrefter resultater fra tidligere studier om hvetens evolusjonære historie. Et interessant resultat var at selv om uttrykksnivået varierte mellom homeologer på ulike subgenomer, så var reguleringen av subgenomene veldig lik. Som et eksempel kunne det være mye høyere uttrykk i D subgenomet i en triplett sammenliknet med A og B i et vev, selv om alle subgenomene var signifikant høyere uttrykt mellom to tidspunkter i utviklingen av vevet. Det at subgenomene er veldig likt regulert, i kombinasjon med at de ofte har veldig ulike uttryksnivåer, tyder på at epigenetisk regulering er en viktigere mekanisme bak ulikehetene vi ser i uttrykk mellom subgenomene enn forskjeller i genenes regulatoriske elementer.