Authors:	Fischer, Sabine
Title:	Genomanalyse der Wilden Weinrebe Vitis vinifera subsp. sylvestris
Online publication date:	27-Jul-2017
Year of first publication:	2017
Language:	german
Abstract:	Die Weinrebe zählt zu den wirtschaftlich und kulturell bedeutendsten Kulturpflanzen. Veränderte Umweltbedingungen und neue Pathogene stellen jedoch eine Herausforderung für Weinbau und Rebenzüchtung dar. Das Potenzial der mit der Kulturrebe nah verwandten Wilden Weinrebe als genetische Ressource für die Rebenzüchtung wurde im Rahmen dieser Arbeit mit komparativen Genomanalysen beurteilt. Dabei wurden mittels Next-Generation Sequencing (NGS) rund 150 Gb Sequenzinformation von 55 Wilden Weinreben, einer Kulturrebe und einer Hybridrebe generiert. Mittels Kartierungs- und Assemblierungsstrategien wurden die Daten in einen größeren genomischen Kontext gebracht. Dabei wurde eine Strategie entwickelt, die es ermöglicht, mithilfe von Kartierungen der NGS-Daten die absolute Kopienzahl transposabler Elementen im Genom zu ermitteln. Es wurde gezeigt, dass sich die Kopienzahlen verschiedener Klassen und Familien transposabler Elemente zwischen den Rebengenomen unterscheiden, weswegen sich die transposablen Elemente als molekulare Marker eignen. Der Nutzen ebendieser Marker wurde anhand der Unterscheidung zwischen den beiden Subspezies der Edlen und der Wilden Weinrebe bestätigt. Infolge der Zerstörung und Fragmentierung ihres Lebensraums ist die Wilde Weinrebe vom Aussterben bedroht. Welchen Einfluss dieser Zustand auf die genetische Diversität der verbleibenden Wildrebenpopulationen hat, wurde anhand von vier Populationen aus verschiedenen Habitaten untersucht. Dabei wurden über 20 Mio. SNP-Positionen de novo identifiziert und so erstmals ein genomweiter Überblick über Polymorphismen in der Wilden Weinrebe geschaffen. Ein Vergleich der vier Pools untereinander liefert Hinweise auf die Populationsgeschichte, bspw. in Hinblick auf Refugien während der letzten Eiszeit und nachfolgende Rekolonialisierungsrouten durch Europa. In allen vier Populationen konnte ein Überschuss seltener Allelvarianten mit minoren Allelfrequenzen kleiner 0,1 festgestellt werden. Dieser Befund kann als Indiz einer genetischen Erosion der analysierten Wildrebenpopulationen gedeutet werden - vermutlich infolge der Inzuchtsproblematik der kleinen Populationen und fehlendem Genfluss zwischen den Populationen. Für die Rebenzüchtung von besonderem Interesse sind Gene in Zusammenhang mit Pathogenresistenzen, Geschlechtsbestimmung und der Reaktion auf sich verändernde Umweltbedingungen. Um solche Gene in der Wilden Weinrebe zu identifizieren, wurde das Genom nach molekularen Fußspuren der Selektion durchsucht. In den vier Pools wurden dabei zwischen 153 und 434 mögliche selective sweeps identifiziert, die insgesamt 2.601 verschiedene proteinkodierende Gene enthalten. Es wurden verschiedene Strategien vorgestellt, um daraus geeignete Kandidatengene für die Züchtung zu ermitteln. The grapevine is one of the major global horticultural crops. However, changing environmental conditions and new pathogens pose a challenge for viticulture and grapevine breeding. The potential of the wild grapevine, which is closely related to the cultivated grapevine, as a genetic resource for grapevine breeding was assessed in this thesis by comparative genomics. Next generation sequencing (NGS) generated 150 Gb sequence information from 55 wild grapevines, one cultivated grapevine and one hybrid. Using mapping- and de novo assembly-strategies, the short-read-data was brought into a genomic context. A strategy was developed that makes it possible to determine the absolute copy number of transposable elements in the genome by mapping the NGS data. It was shown that the copy numbers of different classes and families of transposable elements differ between the grapevine genomes, which is why the transposable elements are suitable as molecular markers. The use of these markers was confirmed by the distinction between the two subspecies of the cultivated and the wild grapevine. As a result of the destruction and fragmentation of its habitat, the wild grapevine is threatened with extinction. The consequences on the genetic diversity of the remaining wild grapevine populations were investigated using four populations from different habitats. More than 20 million single nucleotide polymorphisms were identified de novo, creating a genome-wide overview of polymorphisms in the grapevine for the first time. Comparative studies of the four pools provided information on the population history, for example regarding refugia during the last ice age and subsequent recolonization routes through Europe. In all four populations an excess of rare allelic variants with minimal allele frequencies of less than 0.1 was detected. This finding can be interpreted as a result of genetic erosion in the analyzed wild grapevine populations - presumably due to inbreeding of small populations and the lack of gene flow between the populations. Genes associated with pathogen resistance, sex determination, and response to changing environmental conditions are of particular interest for grapevine breeding. To identify such genes in the wild grapevine, the genome was scanned for molecular footprints of selection. In the four pools, 153 to 434 potential selective sweeps were identified. They contain a total of 2,601 protein-coding genes. Various strategies were developed to filter suitable candidate genes for breeding.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2518
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000014357
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	155 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen