Genetic and epigenetic bases of Quercus ilex variability

Abstract

Quercus ilex, the most representative species of the Mediterranean forest and agrosilvopastoral ecosystem “dehesa”, displays remarkable phenotypic variability and plasticity owing to its longevity and allogamous nature. While extensive research has explored its phenotypic variability at morphological, microscopic, and physiological levels, particularly in response to environmental stimuli, the molecular basis of this variability, both genetic and epigenetic, remains largely unexplored. This doctoral thesis aims to elucidate the genetic and epigenetic bases of biological variability, with a focus on its response to decline syndrome (drought and P. cinnamomi) and climate change. The manuscript is structured into six chapters. Chapter I provides an overview of the current state of research and outlines the objectives of the study. Chapter II presents the detailed description of the first draft of the genome of Q. ilex. In Chapter III, the focus shifts to the description of the first methylome of the forest species. Chapter IV explores the response to P. cinnamomi from both genetic and epigenetic perspectives. Finally, Chapter V encompasses a comprehensive general discussion of the findings presented throughout the manuscript. Chapter II presents the first draft of the Q. ilex genome, its functional annotation, paying special attention to stress-related genes. The nuclear haploid genome assembly generated using PacBio long-read sequencing technology, had a total length of 842.2 Mbp, with 53% comprising repetitive sequences. The annotation included 39,443 protein-coding genes, exhibiting a remarkable completeness rate of 94.80% for single-copy genes. Phylogenetic analyses confirmed the absence of recent whole-genome duplication events and revealed high synteny with other Quercus species such as Q. lobata and Q. robur. Additionally, the chloroplast genome, sized at 142.3 Kbp, contained 149 proteincoding genes. Chapter III examines methylation patterns and identifies methylated genes in three developmental stages (adult, embryo, and seedling). A total of 13 DNA methyltransferase genes and 3 demethylase genes were identified, exposing epigenetic mechanisms similar to those previously found in the Quercus genus. MSAP analysis revealed increased epigenetic diversity relative to genetic diversity, suggesting that some of the high biological variability could be due to epigenetic changes. Adult leaves displaying the highest overall DNA methylation levels, with more demethylation and de novo methylation events established in embryos and seedling leaves, respectively. MSAP-Seq analysis identified approximately 35% of all methylated genomic sequences, with a notable prevalence in genes associated with biological processes such as photosynthesis, ATP synthesis, and defence responses. Methylated nuclear genes and intergenic regions were found to be more abundant than repetitive sequences and chloroplast genes. Exons within nuclear genes exhibited a higher degree of methylation compared to promoters and introns. Chapter IV describes differences in the response to Phytophthora cinnamomi among seedlings from contrasting Andalusian provenances from a genetic and epigenetic point of view. A 16-day experiment with inoculated and noninoculated seedlings from declining and non-declining areas located in three contrasting provenances (Cordoba, Seville, and Huelva, Spain) was conducted. Resistance was higher in the progenies of mother trees from non-declining than declining areas. Genetic diversity and structure were assessed by using chloroplast (maternal inheritance) and nuclear (recombination rate) microsatellites, revealing a more homogeneous offspring in non-declining areas, contrasting with the increased heterogeneity observed in declining areas. The MSAP technique enabled to analyse global DNA methylation levels, showing higher global methylation levels in inoculated seedlings from declining areas across all provenances. In summary, this Thesis sheds light on the intricate genetic and epigenetic mechanisms underlying the phenotypic variability of Q. ilex, with implications for its adaptation to environmental stresses and breeding strategies aimed at enhancing resilience of this forest species.

Quercus ilex, la especie más representativa del bosque mediterráneo y del ecosistema agrosilvopastoral dehesa, muestra una notable variabilidad fenotípica y plasticidad debido a su longevidad y naturaleza alógama. Si bien se ha investigado ampliamente su variabilidad fenotípica a niveles morfológicos, microscópicos y fisiológicos, especialmente en respuesta a estímulos ambientales, las bases moleculares de esta variabilidad, tanto genética como epigenética, permanecen en gran parte inexploradas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo elucidar las bases genéticas y epigenéticas de la variabilidad biológica, con un enfoque en su respuesta al síndrome de la Seca (sequía y P. cinnamomi) y al cambio climático. El manuscrito está estructurado en seis capítulos. El Capítulo I proporciona una visión general del estado actual de la investigación y esboza los objetivos del estudio. El Capítulo II presenta la descripción detallada del primer borrador del genoma de Q. ilex. En el Capítulo III, el enfoque se centra en la descripción del primer metiloma de la especie forestal. El Capítulo IV explora la respuesta a P. cinnamomi desde perspectivas genéticas y epigenéticas. Finalmente, el Capítulo V abarca una discusión general exhaustiva de los hallazgos presentados a lo largo del manuscrito. El Capítulo II presenta el primer borrador del genoma de Q. ilex, su anotación funcional, prestando especial atención a los genes relacionados con el estrés. El ensamblaje del genoma nuclear haploide generado utilizando la tecnología de secuenciación de lectura larga de PacBio, tuvo una longitud total de 842.2 Mbp, con un 53% de secuencias repetidas. La anotación incluyó 39,443 genes codificantes de proteínas, exhibiendo una tasa de completitud notable del 94.80% para los genes de copia única. Los análisis filogenéticos confirmaron la ausencia de eventos recientes de duplicación de genoma completo y revelaron una alta sintenia con otras especies de Quercus como Q. lobata y Q. robur. Además, el genoma del cloroplasto, con un tamaño de 142.3 Kbp, contenía 149 genes codificantes de proteínas. El Capítulo III examina los patrones de metilación e identifica genes metilados en tres etapas de desarrollo (adulto, embrión y plántula). Se identificaron un total de 13 genes de metiltransferasa de ADN y 3 genes de desmetilasa, exponiendo mecanismos epigenéticos similares a los encontrados previamente en el género Quercus. El análisis de MSAP reveló una mayor diversidad epigenética en relación con la diversidad genética, sugiriendo que parte de la alta variabilidad biológica podría deberse a cambios epigenéticos. Las hojas adultas mostraron los niveles más altos de metilación de ADN en general, con más eventos de desmetilación y metilación de novo establecidos en los embriones y las hojas de plántulas, respectivamente. El análisis de MSAP-Seq identificó aproximadamente el 35% de todas las secuencias genómicas metiladas, con una prevalencia notable en genes asociados con procesos biológicos como la fotosíntesis, la síntesis de ATP y las respuestas de defensa. Se encontró que los genes nucleares metilados y las regiones intergénicas eran más abundantes que las secuencias repetidas y los genes cloroplásticos. Los exones dentro de los genes nucleares exhibieron un mayor grado de metilación en comparación con los promotores e intrones. El Capítulo IV describe las diferencias en la respuesta a Phytophthora cinnamomi entre plántulas de distintas procedencias andaluzas desde un punto de vista genético y epigenético. Se realizó un experimento de 16 días con plántulas inoculadas y no inoculadas de áreas en declive y sin declive ubicadas en tres procedencias distintas (Córdoba, Sevilla y Huelva, España). La resistencia fue mayor en las progenies de árboles madre de áreas sin declive que en las de áreas en declive. La diversidad y estructura genéticas se evaluaron utilizando microsatélites cloroplásticos (herencia materna) y nucleares (tasa de recombinación), revelando una descendencia más homogénea en áreas sin declive, en contraste con el aumento de la heterogeneidad observada en áreas en declive. La técnica de MSAP permitió analizar los niveles globales de metilación de ADN, mostrando niveles de metilación globales más altos en plántulas inoculadas de áreas en declive en todas las procedencias. En resumen, esta tesis arroja luz sobre los intrincados mecanismos genéticos y epigenéticos que subyacen a la variabilidad fenotípica de Q. ilex, con implicaciones para su adaptación a los estreses ambientales y estrategias de crianza destinadas a mejorar la resiliencia de esta especie forestal.