Untersuchung Biomasse-bestimmender Prozesse in Pflanzen

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-09-08
Issue Year
2011
Authors
Zajic, Doreen
Editor
Abstract

The aim of this thesis was to use several independent strategies to acquire information on genes and pathways that could potentially regulate plant-organ growth and development. The first approach consisted of studying the interaction of barley plants with the mutualistic root endophyte Piriformospora indica and the biotrophic leaf pathogen Blumeria graminis f.sp. hordei (Bgh). Root colonization by P. indica increases plant growth and promotes the resistance against several abiotic and biotic stress, such as an increased resistance against Bgh infection. The analysis of the metabolome P. indica colonized barley roots revealed restricted availability of free sugars and amino acids in the root tip, suggesting that P. indica influenced the distribution of carbon- and nitrogen assimilates. This could be due to the fact that P. indica competes with the root tip for assimilates, or because increased lateral root development leads to a reduction of assimilate transport. The leaves of P. indica-colonized barley plants had increased glutamine and aspartate contents, while the content of starch biosynthesis intermediate ADP-glucose was reduced. Bgh-infection of P. indica-colonized barley plants intensified these effects. In addition, the analysis of photosynthesis revealed a P. indica-mediated slowing of light adaptation in Bgh-infected leaves. This data and the analysis of photosynthesis suggest a priming effect of P. indica on the metabolic level. As P. indica was found to only cause limited metabolic and transcriptional changes, the investigation of this system was not able to determine the molecular mechanisms of growth regulation. Extensive changes in primary carbohydrate metabolism were detected in Bgh-infected leaf tissue, indicating that sucrose biosynthesis was increased at the expense of starch synthesis. In addition, infection led to a reduction of photosynthesis and the expression of photosynthesis genes was repressed. In the second strategy, a comparative transcriptome analysis was carried out using various Arabidopsis genotypes with different growth characteristics to obtain information on regulators of leaf growth and leaf biomass. Based on this analysis two genes were identified, whose transcript levels correlated with leaf growth parameters. While the transcript of the vacuolar invertase BCG10 decreased with leaf growth, there was an increase of the BCG6-transcript with increasing leaf width. BCG6 shows no homology to previously described proteins, but homologues in other crops were found. Future functional studies are required to establish whether BCG6 can be used to increase crop yield. In the third approach, transgenic potato plants (Solanum tuberosum cv. Solara) expressing tuber-specific positive growth regulators from Arabidopsis were generated in order to analyze the effect on tuber yield. First, the transcription factors ARGOS and ANT were chosen to extend the duration of proliferation of meristematic cells in the tubers. Also, the positive regulators of endoreduplication FZR1 (CCS52A2) FZR2 (CCS52A1) and the WEE1-kinase were selected in order to increase the size of the cells in the tuber. However, characterization of B33:AtANT-myc-, B33:AtFZR2-myc-und B33:AtWEE1-myc-transformants indicated no correlation between protein as well as transcript levels and tuber yield.

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde unter Anwendung verschiedener unabhängiger Strategien versucht, Hinweise auf Gene und Stoffwechselwege zu finden, die das Potential aufweisen, das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzenorganen zu regulieren. Der erste Ansatz bestand aus dem Studium der Interaktion von Gerstenpflanzen mit dem mutualistischen Wurzelendophyten Piriformospora indica und dem biotrophen Blattpathogen Blumeria graminis f.sp. hordei (Bgh). Die Wurzelbesiedelung mit P. indica führt zu einem gesteigerten Wachstum und fördert die Resistenz der Pflanzen abiotischem und biotischem Stress gegenüber, z.B. wird die Resistenz gegen Bgh im Blatt durch die Besiedelung der Wurzeln mit P. indica erhöht. Die Analyse des Metaboloms P. indica besiedelter Gerstenwurzeln offenbarte eine reduzierte Verfügbarkeit von freien Zuckern und Aminosäuren in der Wurzelspitze, was darauf hindeutet, dass durch P. indica die Verteilung von Kohlenstoff- und Stickstoffassimilaten beeinflusst war. Dies ist darauf zurückzuführen, dass entweder P. indica mit der Wurzelspitze um die Assimilate konkurrierte oder aufgrund der gesteigerten Seitenwurzelentwicklung weniger Assimilate in die Wurzelspitze transportiert wurden. Die Blätter P. indica-besiedelter Gerstenpflanzen hatten höhere Glutamin- und Aspartatgehalte, während der Gehalt des Stärkebiosyntheseintermediates ADP-Glukose reduziert war. Nach Bgh-Infektion der P. indica-besiedelten Gerstenpflanzen wurden diese Effekte noch verstärkt. Darüber hinaus offenbarte die Analyse der Photosyntheseleistung eine P. indica-vermittelte Verlangsamung der Lichtadaption Bgh-infizierter Blätter. Die Stoffwechseldaten und die Photosyntheseuntersuchung lassen zusammengenommen einen Priming-Effekt durch P. indica auf Stoffwechselebene erkennen. Da nur wenige Stoffwechsel- und Transkriptänderungen durch P. indica gefunden wurden, erlaubte es die Untersuchung dieses Systems jedoch nicht, molekulare Mechanismen der Wachstumsregulation zu verstehen. Dementgegen wurden in Bgh-infiziertem Blattgewebe umfangreiche Änderungen im Primär-Stoffwechsel festgestellt, die insgesamt darauf hindeuten, dass der Kohlenhydrat-Stoffwechsel zu Gunsten der Saccharosebiosynthese und zu Lasten der Stärkesynthese beeinflusst war. Außerdem führte die Infektion zu einer Reduktion der Photosyntheseleistung und auch die Expression von Photosynthesegenen war reprimiert. Um Hinweise auf Regulatoren des Blattwachstums bzw. der Blattbiomasse zu erhalten, wurden eine vergleichende Transkriptomanalyse mit verschiedenen Arabidopsis Genotypen mit unterschiedlichen Wachstumsmerkmalen durchgeführt. Anhand dieser Analyse konnten zwei Gene identifiziert werden, deren Transkriptmengen in allen durchgeführten Vergleichen mit Blattwachstumsparametern korrelierten. Während die Transkriptmenge der vakuolären Invertase BCG10 mit steigendem Blattwachstum sank, stieg die Transkriptmenge des Gens BCG6 mit steigender Blattgröße an. BCG6 hat keinerlei Homologie zu bislang beschriebenen Proteinen, weist aber Homologe in anderen (Kultur)Pflanzen auf. In funktionellen Studien kann nun überprüft werden, ob BCG6 bei der Züchtung von ertragsstärkeren Kulturpflanzen eingesetzt werden kann. In einem dritten Ansatz wurden transgene Kartoffelpflanzen (Solanum tuberosum cv. Solara) mit einer knollenspezifischen Überexpression bereits identifizierter positiver Wachstumsregulatoren aus Arabidopsis erzeugt um deren Einfluss auf den Knollen-Ertrag zu untersuchen. Zum einen wurden die Transkriptionsfaktoren ANT und ARGOS gewählt, um die Proliferationsdauer meristematischer Zellen in den Knollen zu verlängern. Außerdem wurden die positiven Endoreduplikationsregulatoren FZR1 (CCS52A2), FZR2 (CCS52A1) und die WEE1-Kinase zur Überexpression ausgewählt, um die Größe der Zellen in der Knolle zu beeinflussen. Die Charakterisierung von B33:AtANT-myc-, B33:AtFZR2-myc-und B33:AtWEE1-myc-Pflanzen deutete jedoch auf keinen Zusammenhang zwischen den Protein- bzw. Transkriptmengen der Transgene und dem Ertrag der Pflanzen hin.

DOI
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