Cytogenetic and molecular characterization of wheat and barley chromosome ends involved in chromosome recognition and pairing during meiosi

Abstract

Homologous chromosome recognition and pairing during meiosis is essential for the formation of viable gametes, a particularly complex process in polyploid cereals such as bread wheat (Triticum aestivum; 2n=6x=42) and durum wheat (T. turgidum; 2n=4x=28) due to the coexistence of different subgenomes. This PhD thesis demonstrates that telomeric and subtelomeric regions, traditionally considered merely structural, play a crucial role as dynamic centres of chromosomal identity and for homologous recognition initiation, as they contain essential repeated elements that facilitate this process. The existence of a molecular “barcode” at chromosome ends regulating homologous association is revealed, showing that telomeres and subtelomeres exhibit far greater structural variability than expected and function as active regions of chromatin remodelling, whose understanding facilitates the development of genetic improvement strategies in wheat. Analysis of the satellitome in cultivated species and wild relatives shows that satellite DNA (satDNA) is preferentially located in subtelomeric regions and is organized into multiple specific families that confer chromosomal identity and serve as valuable molecular and cytogenetic markers. The identification of these satDNA families in the species analysed has enabled the construction of an integrated physical map that provides a key tool for genomic studies and breeding programs. Comparison of the satellitome between bread wheat and durum wheat reveals divergences, rapid expansions, and contractions in these sequences within less than 8,000 years, highlighting the impact of domestication and selection and supporting the hypothesis that they contribute to defining chromosome identity and species specificity. Likewise, the study of the satellitome in agronomically valuable barleys (Hordeum chilense and H. vulgare) has identified 46 families grouped into 36 homology groups with divergent profiles confirming the existence of differentiated genetic lineages, and also describes pericentromeric satellites that provide centromere plasticity and highly variable subtelomeric satellites, whose diversity supports their participation in homologous chromosome recognition and association. Overall, this work demonstrates that chromosome terminal regions are highly dynamic, variable, and chromosome-, subgenome-, and species-specific, acting as key nodes for the regulation of chromosomal associations during meiosis and containing molecular parameters such as G-quadruplexes, GC content, CpG islands, and mobile elements that define a chromosomal “barcode.” The adaptive diversity of satellite DNA and its interaction with transposable elements reflect recent reorganizations associated with the evolution and domestication of wheat and barley studied, providing fundamental insights to understand homologous recognition mechanisms, optimize interspecific crosses, and implement more precise and efficient breeding strategies in cereals with complex genomes.

El reconocimiento y la asociación entre cromosomas homólogos durante la meiosis es esencial para la formación de gametos viables, un proceso particularmente complejo en cereales poliploides como el trigo harinero (Triticum aestivum; 2n=6x=42) y el trigo duro (T. turgidum; 2n=4x=28) debido a la coexistencia de distintos subgenomas. En esta tesis se demuestra que las regiones teloméricas y subteloméricas, tradicionalmente consideradas meramente estructurales, cumplen además un papel crucial como centros dinámicos de identidad cromosómica y de inicio del reconocimiento homólogo, ya que contienen elementos repetidos esenciales que facilitan dicho proceso. Se revela la existencia de un “código de barras” molecular en los extremos cromosómicos que regula la asociación homóloga, mostrando que telómeros y subtelómeros presentan una variabilidad estructural mucho mayor de la esperada y funcionan como regiones activas de remodelación de la cromatina, cuya comprensión abre la puerta al desarrollo de estrategias de mejora genética en trigo. El análisis del satelitoma, conjunto del ADN satélite (satDNA, secuencias cortas repetidas en tándem) en dichas especies de trigo cultivadas y especies relacionadas silvestres usadas como fuente de variabilidad genética para la mejora de trigo, muestra que se localiza preferentemente en regiones subteloméricas y se organiza en múltiples familias específicas que confieren identidad cromosómica y pueden servir como marcadores moleculares y citogenéticos. La identificación de estas familias de satDNA en las diferentes especies analizadas ha permitido generar un mapa físico integrado que constituye una herramienta clave para estudios genómicos y programas de mejora. Además, la comparación entre el satelitoma de trigo harinero y trigo duro revela divergencias, expansiones y contracciones rápidas en estas secuencias en menos de 8 000 años, resaltando el efecto de la domesticación y la selección y apoyando la hipótesis de que contribuyen a definir la identidad cromosómica y la especificidad de especie. Asimismo, el estudio del satelitoma de cebadas de interés agronómico (Hordeum chilense y H. vulgare) ha permitido identificar 46 familias agrupadas en 36 grupos de homología con perfiles divergentes que confirman la existencia de linajes genéticos diferenciados, describiendo además satélites peri(centroméricos) que aportan plasticidad al centrómero y subteloméricos cuya variabilidad apoya su contribución en el reconocimiento y asociación entre cromosomas homólogos. En conjunto, este trabajo demuestra que las regiones terminales de los cromosomas son altamente dinámicas, variables y específicas según el cromosoma, subgenoma y la especie, constituyendo nodos clave para la regulación de las asociaciones cromosómicas en meiosis y conteniendo parámetros moleculares como G-cuádruplex, contenido GC, islas CpG y elementos móviles que definen un “código de barras” cromosómico. La diversidad adaptativa del satADN y su interacción con elementos transponibles reflejan reorganizaciones recientes asociadas a la evolución y domesticación de los trigos y cebadas estudiados, aportando conocimientos fundamentales para entender los mecanismos del reconocimiento entre cromosomas homólogos, optimizar cruzamientos interespecíficos e implementar estrategias de mejora genética más precisas y eficientes en cereales con genomas complejos.