Integrated Genomic Analysis of African and Indonesian Oil Palm Accessions: Comparative Insights from Chloroplast and Nuclear Genomes and in-silico Marker Development

Abstract

This thesis presents an integrated genomic investigation of African oil palm (Elaeis guineensis) aimed at improving understanding of maternal lineage diversity, nuclear genome variation, and genome evolution using complementary organellar and nuclear genome approaches. By combining comparative chloroplast genomics, in-silico genome-wide SSR marker development, and whole-genome sequencing of Tanzanian Dura oil palm, the study addresses major gaps in genomic resources for underrepresented East-African germplasm and provides insights relevant to oil palm domestication, conservation, and breeding. Comparative analysis of complete chloroplast genomes from Tanzania, Cameroonian, and Indonesian accessions revealed a highly conserved plastome structure,gene content, and synteny, consistent with the evolutionary stability of angiosperm chloroplast genomes. Despite this conservation, subtle variations in inverted repeat-single-copy boundary regions, intergenic spacers, and chloroplast SSR distribution enabled the resolution of distinct maternal lineages. Phylogenetic and haplotype network analyses identified multiple chloroplast haplotypes and lineage-specific clustering, indicating that global oil palm germplasm derives from more than one maternal origin and reflects a complex domestication and dispersal history. To completement plastome-based maternal insights, genome-wide SSR loci were mined from three aligned nuclear genomes (EG11, Dura-Tz, and Dura-BBG) using a comparative genomics network. Twenty polymorphic SSR markers with broad chromosomal distribution and favorable primer characteristics were successfully designed and validated in-silico. These markers provide practical and cost-effective tools for genetic diversity, population structure assessment, linkage mapping, and marker-assisted breeding, bridging high-resolution genomic data with applied breeding needs. In addition, this thesis reports the first chromosome-level genome assembly of Tanzanian Dura oil palm, representing a valuable genomic reference for Est-African germplasm. Comparative synteny analyses demonstrated extensive macro syntenic conservation across E.guineensis genomes, while localized structural variations and transposable element dynamics reveled lineage-specific genome diversification. Together, the findings highlight strong genomic conservation coupled with repeat-driven divergence within the species.

Keywords: chloroplast genomics, Elaeis guineensis, maternal lineage diversity, SSR markers, whole-genome sequencing

Tesis ini menyajikan investigasi genomik terintegrasi dari kelapa sawit Afrika (Elaeis guineensis) yang bertujuan untuk meningkatkan pemahaman tentang keragaman garis keturunan maternal, variasi genom nukleus, dan evolusi genom menggunakan pendekatan genom organel dan nukleus yang saling melengkapi. Dengan menggabungkan genomik kloroplas komparatif, pengembangan penanda SSR di seluruh genom secara in-silico, dan pengurutan seluruh genom kelapa sawit Dura Tanzania, penelitian ini mengatasi kesenjangan utama dalam sumber daya genomik untuk plasma nutfah Afrika Timur yang kurang terwakili dan memberikan wawasan yang relevan dengan domestikasi, konservasi, dan pemuliaan kelapa sawit. Analisis komparatif genom kloroplas lengkap dari aksesi Tanzania, Kamerun, dan Indonesia mengungkapkan struktur plastom, kandungan gen, dan sinteni yang sangat terkonservasi, konsisten dengan stabilitas evolusi genom kloroplas angiosperma. Terlepas dari konservasi ini, variasi halus di wilayah batas pengulangan terbalik-salinan tunggal, spasi intergenik, dan distribusi SSR kloroplas memungkinkan resolusi garis keturunan maternal yang berbeda. Analisis filogenetik dan jaringan haplotip mengidentifikasi beberapa haplotip kloroplas dan pengelompokan spesifik garis keturunan, menunjukkan bahwa plasma nutfah kelapa sawit global berasal dari lebih dari satu asal maternal dan mencerminkan sejarah domestikasi dan penyebaran yang kompleks. Untuk melengkapi wawasan maternal berbasis plastom, lokus SSR di seluruh genom diekstraksi dari tiga genom nuklir yang disejajarkan (EG11, Dura-Tz, dan Dura-BBG) menggunakan jaringan genomik komparatif. Dua puluh penanda SSR polimorfik dengan distribusi kromosom yang luas dan karakteristik primer yang menguntungkan berhasil dirancang dan divalidasi secara in-silico. Penanda-penanda ini menyediakan alat praktis dan hemat biaya untuk keragaman genetik, penilaian struktur populasi, pemetaan keterkaitan, dan pemuliaan berbasis penanda, menjembatani data genomik resolusi tinggi dengan kebutuhan pemuliaan terapan. Selain itu, tesis ini melaporkan perakitan genom tingkat kromosom pertama dari kelapa sawit Dura Tanzania, yang mewakili referensi genomik yang berharga untuk plasma nutfah Afrika Timur. Analisis sinteni komparatif menunjukkan konservasi makro sinteni yang luas di seluruh genom E.guineensis, sementara variasi struktural lokal dan dinamika elemen transposable mengungkapkan diversifikasi genom spesifik garis keturunan. Bersama-sama, temuan tersebut menyoroti konservasi genomik yang kuat yang dig coupled dengan divergensi yang didorong oleh pengulangan dalam spesies tersebut.

Kata kunci: Elaeis guineensis, genomik kloroplas, keragaman garis keturunan maternal, penanda SSR, pengurutan seluruh genom