Comparative cytogenomics of the repeatome landscape in Capsicum L.

Abstract

Capsicum L. (Solanaceae) comprises ~43 species, which are represented by sweet and hot peppers. Capsicum repeatome impacts its genome structure and diversity, as the nuclear 1C value and chromosome composition and organization that varies among the species. In this context, we aim to characterize and map the repeatome in Capsicum species. The first chapter presents an updated and in-depth review of the structural genome and the epigenome of Capsicum. We revisited data about 1C value, karyotype, sequencing, and cytogenomics mapping of 35S and 5S rDNA, satellite DNA (satDNA), transposable elements (TEs) and histone post-translational modification marks. These data were integrated into an ideogram for each chromosome, allowing a better understanding of the composition, structure, organization and evolution of the Capsicum karyotypes. Furthermore, we highlighted the main gaps and challenges related to 1C value measurement, genome sequencing of domesticated and wild species, comparative cytogenomics (rDNA, satDNA and TEs), and the epigenomic landscape. The second chapter was dedicated to the 1C value measurement, in silico analysis and comparative genomics of 35S and 5S rDNA, and LINEs RTE, LINEs L1, SINEs, ERVs, MULEs in Capsicum. The mean 1C value of C. annuum, C. chinense, C. frutescens, C. baccatum, C. pubescens, C. rabenii and C. flexuosum was measured, confirming the intraspecific variation from C. chinense with 1C = 3.96 ± 0.124 pg to C. flexuosum with 1C = 8.40 ± 0.251 pg. Capsicum 35S rDNA sites by 2n complement ranged from 2 (C. annuum and C. chinense) to 15 (C. baccatum), also varying the fluorescence signal intensity. In contrast, only one pair with 5S rDNA was mapped in the distal portions of the short arms of the C. annuum, C. chinense, C. frutescens, and C. baccatum chromosomes. The investigated TEs (LINEs RTE, LINEs L1, SINEs, ERVs, MULEs) proportions also oscillated among the Capsicum genomes: 1.26% in C. annuum, 1.0% in C. chinense and 0.99% in C. baccatum. SINEs, ERVs and MULEs were grouped into three distinct clusters, while LINEs RTE and LINEs L1 formed a single cluster, as revealed by MDS projection. In general, TEs exhibited scattered signals along the chromosomes. Moreover, hybridization signals were observed in the centromere and pericentromere, as well as in interstitial and distal chromosome regions. This study reinforces the value of Capsicum as a model for exploring repetitive DNA in cytogenomic and evolutionary contexts. Our data not only illuminates genome organization through integrated molecular, cytogenetic, and bioinformatic approaches but also serves as a key resource for in silico cytogenomics and comparative repeatome research in plants, particularly in the genus Capsicum. Keywords: Peppers; Molecular Cytogenetics ; FISH; Genomics; Repeatome ; Mobile Elements.Capsicum L. (Solanaceae) compreende ~43 espécies, que são representadas pelos pimentões e pimentas. O repeatoma de Capsicum impacta sua estrutura e diversidade genômica, como o valor nuclear de 1C e a composição e organização cromossômica que variam entre as espécies. Neste contexto, nosso objetivo foi caracterizar e mapear o repeatoma em espécies de Capsicum. O primeiro capítulo apresenta uma revisão atualizada e aprofundada do genoma estrutural e do epigenoma de Capsicum. Revisamos dados sobre valor de 1C, cariótipo, sequenciamento e mapeamento citogenômico de rDNA 35S e 5S, DNA satélite (satDNA), elementos transponíveis (TEs) e marcas de modificação pós-traducional de histonas. Esses dados foram integrados em um ideograma para cada cromossomo, permitindo uma melhor compreensão da composição, estrutura, organização e evolução dos cariótipos de Capsicum. Além disso, destacamos as principais lacunas e desafios relacionados à medição do valor 1C, sequenciamento do genoma de espécies domesticadas e selvagens, citogenômica comparativa (rDNA, satDNA e TEs) e o cenário epigenômico. O segundo capítulo foi dedicado à medição do valor 1C, análise in sílico e genômica comparativa de rDNA 35S e 5S, e LINEs RTE, LINEs L1, SINEs, ERVs, MULEs em Capsicum. O valor médio de 1C de C. annuum, C. chinense, C. frutescens, C. baccatum, C. pubescens, C. rabenii e C. flexuosum foi mensurado, confirmando a variação intraespecífica de C. chinense com 1C = 3,96 ± 0,124 pg para C. flexuosum com 1C = 8,40 ± 0,251 pg. Os sítios de rDNA 35S de Capsicum pelo complemento 2n variaram de 2 (C. annuum e C. chinense) a 15 (C. baccatum), variando também a intensidade do sinal de fluorescência. Em contraste, apenas um par com rDNA 5S foi mapeado nas porções distais dos braços curtos dos cromossomos de C. annuum, C. chinense, C. frutescens e C. baccatum. As proporções de TEs investigados (LINEs RTE, LINEs L1, SINEs, ERVs, MULEs) também oscilaram entre os genomas de Capsicum: 1,26% em C. annuum, 1,0% em C. chinense e 0,99% em C. baccatum. SINEs, ERVs e MULEs foram agrupados em três grupos distintos, enquanto LINEs RTE e LINEs L1 formaram um único grupo, conforme revelado pela projeção MDS. Em geral, os TEs exibiram sinais dispersos ao longo dos cromossomos. Além disso, sinais de hibridização foram observados no centrômero e pericentrômero, bem como nas regiões intersticial e distal dos cromossomos. Este estudo reforça o valor de Capsicum como modelo para a exploração de DNA repetitivo em contextos citogenômicos e evolutivos. Nossos dados não apenas iluminam a organização do genoma por meio de abordagens moleculares, citogenéticas e bioinformáticas integradas, mas também servem como um recurso fundamental para a citogenômica in sílico e a pesquisa comparativa dos repeatomes em plantas, particularmente no gênero Capsicum. Palavras-chave: Pimentas; Citogenética molecular; FISH ; Genômica; Repeatoma; Elementos móveis.