Axel Fischer

• More than a century ago the phenomenon of non-Mendelian inheritance (NMI), defined as any type of inheritance pattern in which traits do not segregate in accordance with Mendel’s laws, was first reported. In the plant kingdom three genomic compartments, the nucleus, chloroplast, and mitochondrion, can participate in such a phenomenon. High-throughput sequencing (HTS) proved to be a key technology to investigate NMI phenomena by assembling and/or resequencing entire genomes. However, generation, analysis and interpretation of such datasets remain challenging by the multi-layered biological complexity. To advance our knowledge in the field of NMI, I conducted three studies involving different HTS technologies and implemented two new algorithms to analyze them. In the first study I implemented a novel post-assembly pipeline, called Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC), which visualizes non-graph-based assemblies as graphs, identifies recombinogenic repeat pairs (RRPs), and reconstructs plant mitochondrial genomes (PMG)More than a century ago the phenomenon of non-Mendelian inheritance (NMI), defined as any type of inheritance pattern in which traits do not segregate in accordance with Mendel’s laws, was first reported. In the plant kingdom three genomic compartments, the nucleus, chloroplast, and mitochondrion, can participate in such a phenomenon. High-throughput sequencing (HTS) proved to be a key technology to investigate NMI phenomena by assembling and/or resequencing entire genomes. However, generation, analysis and interpretation of such datasets remain challenging by the multi-layered biological complexity. To advance our knowledge in the field of NMI, I conducted three studies involving different HTS technologies and implemented two new algorithms to analyze them. In the first study I implemented a novel post-assembly pipeline, called Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC), which visualizes non-graph-based assemblies as graphs, identifies recombinogenic repeat pairs (RRPs), and reconstructs plant mitochondrial genomes (PMG) in a semiautomated workflow. We applied this pipeline to assemblies of three Oenothera species resulting in a spatially folded and circularized model. This model was confirmed by PCR and Southern blot analyses and was used to predict a defined set of 70 PMG isoforms. With Illumina Mate Pair and PacBio RSII data, the stoichiometry of the RRPs was determined quantitatively differing up to three-fold. In the second study I developed a post-multiple sequence alignment algorithm, called correlation mapping (CM), which correlates segment-wise numbers of nucleotide changes to a numeric ascertainable phenotype. We applied this algorithm to 14 wild type and 18 mutagenized plastome assemblies within the Oenothera genus and identified two genes, accD and ycf2 that may cause the competitive behavior of plastid genotypes as plastids can be biparental inherited in Oenothera. Moreover, lipid composition of the plastid envelope membrane is affected by polymorphisms within these two genes. For the third study, I programmed a pipeline to investigate a NMI phenomenon, known as paramutation, in tomato by analyzing DNA and bisulfite sequencing data as well as microarray data. We identified the responsible gene (Solyc02g0005200) and were able to fully repress its caused phenotype by heterologous complementation with a paramutation insensitive transgene of the Arabidopsis thaliana orthologue. Additionally, a suppressor mutant shows a globally altered DNA methylation pattern and carries a large deletion leading to a gene fusion involving a histone deacetylase. In conclusion, my developed and implemented algorithms and data analysis pipelines are suitable to investigate NMI and led to novel insights about such phenomena by reconstructing PMGs (SAGBAC) as a requirement to study mitochondria-associated phenotypes, by identifying genes (CM) causing interplastidial competition as well by applying a DNA/Bisulfite-seq analysis pipeline to shed light in a transgenerational epigenetic inheritance phenomenon.…
• Vor mehr als einem Jahrhundert wurde über das Phänomen der Nicht-Mendelschen Vererbung (NMI), welche als jede Art von Vererbungsmuster definiert wird, in denen Eigenschaften nicht nach dem Mendelschen Gesetzen segregieren, zum ersten Mal berichtet. Im Pflanzenkönigreich können drei Zellkompartimente mit ihrem eigenen Erbgut, Nukleus, Chloroplast, und Mitochondrium, an einem solchen Phänomen beteiligt sein. Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien (HTS) stellen nachweislich eine Schlüsseltechnologie dar, um NMI Phänomene durch die Assemblierung und/oder Resequenzierung von ganzen Genomen zu untersuchen. Jedoch bleibt die Generierung, Analyse sowie die Interpretation solcher Datensätze durch die vielschichtige biologische Komplexität weiterhin eine Herausforderung. Um unser Wissen über NMI zu erweitern habe ich drei Studien durchgeführt in denen unterschiedliche HTS Technologien involviert waren und zwei neue Algorithmen implementiert um sie zu analysieren. In der ersten Studie habe ich eine neue Postassemblierungspipeline mit demVor mehr als einem Jahrhundert wurde über das Phänomen der Nicht-Mendelschen Vererbung (NMI), welche als jede Art von Vererbungsmuster definiert wird, in denen Eigenschaften nicht nach dem Mendelschen Gesetzen segregieren, zum ersten Mal berichtet. Im Pflanzenkönigreich können drei Zellkompartimente mit ihrem eigenen Erbgut, Nukleus, Chloroplast, und Mitochondrium, an einem solchen Phänomen beteiligt sein. Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien (HTS) stellen nachweislich eine Schlüsseltechnologie dar, um NMI Phänomene durch die Assemblierung und/oder Resequenzierung von ganzen Genomen zu untersuchen. Jedoch bleibt die Generierung, Analyse sowie die Interpretation solcher Datensätze durch die vielschichtige biologische Komplexität weiterhin eine Herausforderung. Um unser Wissen über NMI zu erweitern habe ich drei Studien durchgeführt in denen unterschiedliche HTS Technologien involviert waren und zwei neue Algorithmen implementiert um sie zu analysieren. In der ersten Studie habe ich eine neue Postassemblierungspipeline mit dem Namen Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC) entwickelt, welche nicht Graphen-basierte Genomassemblierungen als Graphen visualisiert, rekombinierende Repeatpaare (RRP) identifiziert, und pflanzliche mitochondrielle Genome (PMG) in einem halb-automatisierten Prozess rekonstruiert. Wir haben diese Pipeline auf Assemblierungen von drei Oenothera Spezies angewandt, was in gefalteten zirkularisierten Modellen resultierte. Dieses Modell wurde durch PCR und Southern Blot Analysen bestätigt, sowie verwendet, um einen definierten Satz von 70 PMG Isoformen vorherzusagen. Mit Illumina Mate Pair und PacBio RSII Daten wurde die Stöchiometrie der RRPs quantitativ bestimmt, die sich bis zu dreifach unterscheiden. In der zweiten Studie habe ich einen post-Multiples Sequenzalignment Algorithmus mit dem Namen Correlation Mapping (CM) entwickelt, der eine segmentweise Anzahl von Nukleotidaustauschen mit numerisch erfassbaren Phänotypen korreliert. Wir haben diesen Algorithmus auf 14 Wildtypen und 18 mutagenisierte Plastomassemblierungen aus der Gattung Oenothera angewandt und konnten zwei Gene, accD und ycf2 identifizieren, welche für das kompetitive Verhalten von Plastid Genotypen verantwortlich ist. Weiterhin wird die Lipidkomposition der Plastid-Hüllmembranen durch Polymorphismen in den beiden Genen beeinflusst. Für die dritte Studie habe ich eine Pipeline programmiert, um ein NMI Phänomen, bekannt als Paramutation, in der Tomate mit Hilfe von DNA- und Bisulfitsequenzierungsdaten sowie Microarray Daten zu analysieren. Wir haben das verantwortliche Gen (Solyc02g005200) identifiziert und waren in der Lage den verursachenden Phänotyp durch eine heterologe Komplementation eines paramutationsinsensitiven Transgens des Orthologs aus Arabidopsis thaliana vollständig zu unterdrücken. Weiterhin konnten wir zeigen, dass eine Suppressormutante ein global verändertes DNA-Methylierungsmuster aufweist und es durch eine große Deletion zu einer Genfusion gekommen ist, an der eine Histon-Deacetylase beteiligt ist. Zusammenfassend sind meine entwickelten und implementierten Algorithmen und Datenanalysen geeignet, um NMI zu untersuchen und haben wie folgt zu neuen Einsichten über solche Phänomene verholfen: (a) durch die Rekonstruktion von PMGs (SAGBAC) als Voraussetzung um Mitochondrien-assoziierte Phänotypen zu studieren, (b) durch die Identifizierung von Genen (CM), welche interplastidäre Kompetition auslösen sowie (c) durch Anwendung einer DNA-/Bisulfit-seq Analysepipeline zur Beantwortung der Ursache eines transgenerational epigenetischen Vererbungsphänomens.…