Variations of tandem repeat, regulatory element, and promoter regions revealed by wheat–rye amphiploids

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Abstract

To better understand the evolution of allopolyploids, 4 different combinations between wheat (Triticum aestivum L.) and rye (Secale cereale L.) including 12 F1 hybrids and 12 derived amphiploids were analyzed and compared with their direct parental plants by PCR analysis using 150 wheat SSR (single sequence repeat) markers and by FISH analysis using a rye-specific repetitive sequence (pSc200) as a probe. Nine SSR markers amplified rye-specific fragments whose sizes ranged from 471 bp to 1089 bp. These fragments contain regulatory elements and (or) promoters. Some of these fragments were amplified from all 24 progenies, while others were amplified from a subset of the progenies. The disappearance of rye-specific fragments from some progenies was caused by sequence elimination or DNA modification. Marker Xgwm320 amplified a new fragment (403 bp), a rye-specific tandem repeat, from some of the progenies. Twenty-eight SSR markers displayed microsatellite variation in progenies derived from ‘Chinese Spring’ × ‘Jinzhou-heimai’, but none of the 150 SSR markers displayed microsatellite variation in the progenies derived from the other three combinations. FISH signals of pSc200 were eliminated from one telomere/subtelomere of 4 chromosomes of ‘Kustro’ during allopolyploidization and expanded in amphiploids derived from ‘Chinese Spring’ × ‘AR106BONE’. Thus, allopolyploidization in wheat–rye can be accompanied by rapid variation of tandem repeats, regulatory elements, and promoter regions. The alterations of repetitive sequence pSc200 indicate coordination between the constituent genomes of the newly formed amphiploids. Different genetic backgrounds of parents appear to affect genome changes during allopolyploidization.

Afin de mieux comprendre l'évolution des allopolyploïdes, quatre combinaisons différentes entre le blé (Triticum aestivum L.) et le seigle (Secale cereale L.) totalisant 12 hybrides F1 et 12 amphidiploïdes dérivés ont été analysés et comparés avec leurs parents par analyse PCR à l'aide de 150 marqueurs microsatellites (SSR) du blé et par analyse FISH avec une sonde d'ADN répété (pSc200) spécifique du seigle. Neuf SSR ont amplifié des fragments spécifiques du seigle dont les tailles variaient entre 471 et 1089 pb. Ces fragments contenaient des séquences régulatrices ou des promoteurs. Certains de ces fragments ont été amplifiés chez les 24 descendants, tandis que d'autres n'ont été amplifiés que chez une fraction des descendants. La perte de fragments spécifiques du seigle chez certains des descendants a été causée par élimination de séquence ou par modification de l'ADN. Le marqueur Xgwm320 a amplifié un nouveau produit (403 pb), une répétition en tandem spécifique du seigle, chez certains des descendants. Vingt-huit marqueurs SSR ont affiché une variation uniquement chez les descendants du croisement ‘Chinese Spring’ × ‘Jinzhou-heimai’, mais aucun des 150 marqueurs SSR n'a présenté de variation chez les descendants dérivés des trois autres croisements. Les signaux FISH pour pSc200 ont disparu d'un télomère/subtélomère chez quatre chromosomes de ‘Kustro’ au cours de l'allopolyploïdisation et ils ont pris de l'expansion chez les ampliploïdes dérivés de ‘Chinese Spring’ × ‘AR106BONE’. Ainsi, l'allopolyploïdisation chez les hybrides blé-seigle peut s'accompagner de changements rapides au sein des régions répétées en tandem, des séquences régulatrices et des promoteurs. Les altérations de la séquence répétée pSc200 indique une coordination entre les génomes constitutifs des amphidiploïdes nouvellement formés. Les différentes constitutions génétiques des parents semblent affecter les changements génomiques se produisant au cours de l'allopolyploïdisation.

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