Forum geobotanicum (2019)8:24-78
DOI 10.3264/FG.2019.1022

Reprint (PDF version)
Supplement:

Data on single plants as found
in the Heukels Flora 2005
+ additions

 

 
Ben J.M. Zonneveld

The DNA weights per nucleus (genome size) of more than 2350 species of the
Flora of The Netherlands, of which 1370 are new to science, including the pattern
of their DNA peaks

Published online: 22 October 2019
© Forum geobotanicum 2019

Abstract Besides external characteristics and reading a piece of DNA (barcode), the DNA weight per nucleus (genome size) via flow cytometry is a key value to detect species and hybrids and determine ploidy. In addition, the DNA weight appears to be related to various properties, such as the size of the cell and the nucleus, the duration of mitosis and meiosis and the generation time. Sometimes it is even possible to distinguish between groups or sections, which can lead to new classification of the genera. The variation in DNA weight is also useful to analyze biodiversity, genome evolution and relationships between related taxa. Moreover, it is important to know how large a genome is before one determines the base sequence of the DNA of a plant. Flow cytometry is also important for understanding fundamental processes in plants such as growth and development and recognizing chimeras. In the literature, DNA weight measurements are usually limited to one genus and often only locally (Siljak et al. 2010; Bai et al. 2012). In this study, however, it was decided to investigate all vascular plants from one country. This can also contribute to the protection of rare plants. This study is the first flora in the world whose weight of DNA per nucleus and peak patterns has been determined. More than 6400 plants, representing more than 2350 (sub)species (more than 90%) have been collected, thanks to the help of almost 100 volunteers of Floristisch Onderzoek Nederland (Floron). Multiple specimens of many species have therefore been measured, preferably from different populations, in some cases more than fifty. For 1370 species, these values were not previously published. Moreover, a good number of the remaining 45% are new for The Netherlands. In principle, each species has a fixed weight of DNA per nucleus. It has also been found that, especially between the genera, there are strong differences in the number of peaks that determine the DNA weight, from one to five peaks. This indicates that in a plant or organ there are sometimes nuclei with multiples of its standard DNA weight (multiple ploidy levels). It is impossible to show graphs of more than 2350 species. Therefore, we have chosen to show the peak pattern in a new way in a short formula. Within most genera there are clear differences in the DNA weights per nucleus between the species, in some other genera the DNA weight is hardly variable. Based on about twenty genera that were previously measured completely in most cases (‘t Hart et al. 2003: Veldkamp and Zonneveld 2011; Soes et al. 2012; Dirkse et al. 2014, 2015; Verloove et al. 2017; Zonneveld [et al.] 2000−2018), it can be noted that even if all species of a genus have the same number of chromosomes, there can still be a difference of up to three times in the weight of the DNA. Therefore, a twice larger DNA weight does not have to indicate four sets of chromosomes. Finally, this research has also found clues to examine further the current taxonomy of a number of species or genera.

Samenvatting Naast uiterlijke kenmerken en het lezen van een stukje DNA (barcodering), is het DNA-gewicht per kern (via flow cytometrie) een sleutelwaarde om soorten en hybriden te detecteren en ploïdie te bepalen. Daarnaast blijkt het DNA-gewicht met verschillende eigenschappen samen te hangen, zoals met de grootte van de cel en de kern, de duur van de mitose en meiose en met de generatie tijd. Soms is het zelfs mogelijk om tussen groepen of secties onderscheid te maken, wat tot nieuwe indeling van de geslachten kan leiden. De variatie in DNA-gewicht is ook nuttig om biodiversiteit, genoom evolutie en relaties tussen verwante taxa te analyseren. Bovendien is van belang te weten, hoe groot een genoom is, alvorens men van een plant de base-volgorde van het hele DNA kan bepalen. Flow cytometrie is ook belangrijk voor het begrijpen van fundamentele processen in planten zoals groei en ontwikkeling en het herkennen van chimaeren. In de literatuur wordt het meten van het DNA-gewicht meestal beperkt tot één geslacht en ook nog vaak alleen lokaal. In deze studie is echter besloten om alle vaatplanten van één land te onderzoeken. Dit kan dan ook een bijdrage leveren bij de bescherming van zeldzame planten. Deze studie is de eerste flora ter wereld waarvan het gewicht van het DNA per kern en de piekpatronen zijn bepaald. Hiervoor zijn ruim 6400 planten verzameld die ruim 2350 (onder)soorten (meer dan 90 %) vertegenwoordigen, vooral dankzij de hulp van bijna 100 vrijwilligers van Floristisch Onderzoek Nederland (Floron). Van veel soorten zijn dus meerdere exemplaren gemeten, bij voorkeur uit verschillende populaties, van sommigen wel meer dan vijftig. Voor 1370 soorten zijn dit niet eerder gepubliceerde waarden. Bovendien is van de overige 45 % ook een flink aantal nieuw voor Nederland. In principe heeft elke soort een vast DNA- gewicht per kern. Er is ook gevonden dat vooral tussen geslachten, er sterke verschillen zijn in het aantal pieken die het DNA-gewicht aangeven, van een tot wel vijf pieken. Dit geeft aan dat in een plant of orgaan er soms kernen zijn met veelvouden van het standaard DNA-gewicht (meerdere ploïdie niveaus). Het is ondoenlijk om grafieken van alle 2350 soorten weer te geven. Daarom is er voor gekozen om het piekenpatroon op een nieuwe manier in een korte formule weer te geven. Binnen de meeste geslachten zijn er duidelijk verschillen in de DNA-gewichten per kern tussen de soorten, in enkele andere geslachten is het DNA-gewicht nauwelijks variabel. Gebaseerd op een twintigtal geslachten die eerder in de meeste gevallen compleet gemeten zijn, kan opgemerkt worden dat ook als alle soorten van een geslacht hetzelfde aantal chromosomen hebben, er toch een verschil tot meer dan driemaal in het gewicht van het DNA kan zijn. Een groter DNA-gewicht hoeft dus niet op meer dan 2 sets chromosomen te wijzen. Tenslotte heeft dit onde rzoek ook aanwijzingen gevonden om de huidige taxonomie van een aantal soorten of genera nader tegen het licht te houden.

Keywords Genome size, DNA weight, 2C-value, Dutch Flora, peak profiles

----------------------------------------------------------------
Dr. Ben J. M. Zonneveld
NBC Naturalis
Darwinweg 2
2333 CR Leiden, The Netherlands
ben.zonneveld@naturalis.nl