TY  - THES
A1  - Blacha, Anna Maria
T1  - Investigating the role of regulatory genes in heterosis for superior growth and biomass production in Arabidopsis thaliana
T1  - Die Rolle von Regulatorischen Genen bei der Entstehung von Wachstums- und Biomassen-Heterosis in Arabidopsis thaliana
N2  - ‘Heterosis’ is a term used in genetics and breeding referring to hybrid vigour or the superiority of hybrids over their parents in terms of traits such as size, growth rate, biomass, fertility, yield, nutrient content, disease resistance or tolerance to abiotic and abiotic stress. Parental plants which are two different inbred (pure) lines that have desired traits are crossed to obtain hybrids. Maximum heterosis is observed in the first generation (F1) of crosses. Heterosis has been utilised in plant and animal breeding programs for at least 90 years: by the end of the 21st century, 65% of worldwide maize production was hybrid-based. Generally, it is believed that an understanding of the molecular basis of heterosis will allow the creation of new superior genotypes which could either be used directly as F1 hybrids or form the basis for the future breeding selection programmes. Two selected accessions of a research model plant Arabidopsis thaliana (thale cress) were crossed to obtain hybrids. These typically exhibited a 60-80% increase of biomass when compared to the average weight of both parents. This PhD project focused on investigating the role of selected regulatory genes given their potentially key involvement in heterosis. In the first part of the project, the most appropriate developmental stage for this heterosis study was determined by metabolite level measurements and growth observations in parents and hybrids. At the selected stage, around 60 candidate regulatory genes (i.e. differentially expressed in hybrids when compared to parents) were identified. Of these, the majority were transcription factors, genes that coordinate the expression of other genes. Subsequent expression analyses of the candidate genes in biomass-heterotic hybrids of other Arabidopsis accessions revealed a differential expression in a gene subset, highlighting their relevance for heterosis. Moreover, a fraction of the candidate regulatory genes were found within DNA regions closely linked to the genes that underlie the biomass or growth heterosis. Additional analyses to validate the role of selected candidate regulatory genes in heterosis appeared insufficient to establish their role in heterosis. This uncovered a need for using novel approaches as discussed in the thesis. Taken together, the work provided an insight into studies on the molecular mechanisms underlying heterosis. Although studies on heterosis date back to more than one hundred years, this project as many others revealed that more investigations will be needed to uncover this phenomenon.
N2  - „Heterosis“ ist ein in der Genetik und der Züchtung verwendeter Begriff, der die Hybridwüchsigkeit oder die Überlegenheit der Hybriden über ihre Eltern in Bezug auf Eigenschaften wie Größe, Wachstumsrate, Biomasse, Fruchtbarkeit, Ertrag, Nährstoffgehalt, Widerstand gegen Krankheiten oder Toleranz in Bezug auf biotischen oder abiotischen Stress bezeichnet. Um Hybriden zu erzeugen, werden aus zwei verschiedenen Inzuchtlinien (reine Linien) bestehende Elternpflanzen, welche die gewünschten Eigenschaften besitzen, miteinander gekreuzt. Der stärkste Heterosiseffekt wird in der ersten Kreuzungsgeneration (F1) beobachtet. Heterosis wird in Pflanzen- und Tierzuchtprogrammen schon seit mindestens 90 Jahren genutzt. So beruhte zum Ende des 20. Jahrhunderts 65% der weltweiten Maisproduktion auf Hybridzüchtung. Es wird angenommen, dass ein Verständnis der molekularen Grundlagen der Heterosis die Schaffung neuer, überlegener Genotypen erlaubt, die dann direkt als F1-Hybriden verwendet, oder als Grundlage für zukünftige Zucht- und Selektionsprogramme dienen können. Zwei ausgewählte Akzessionen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden miteinander gekreuzt, um Hybriden zu erzeugen. Verglichen mit dem durchschnittlichen Gewicht ihren beiden Elternlinien zeigten diese eine 60-80%ige Zunahme an Biomasse. Diese Doktorarbeit befasst sich damit, die Rolle ausgewählter, regulatorischer Gene und ihre mögliche Schlüsselrolle bei der Heterosis zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wurde anhand der Gehaltsbestimmung ausgewählter Stoffwechselprodukte und Wachstumsbeobachtungen bei den Eltern und Hybriden das günstigste Entwicklungsstadium für diese Heterosisstudie bestimmt. In diesem Entwicklungsstadium wurden ungefähr 60 regulatorische Gene (d.h. Expressionsunterschiede zwischen Hybriden und Elternlinien) als Kandidaten identifiziert. Ein Großteil dieser Kandidaten waren Transkriptionsfaktoren, also Gene, die die Expression anderer Gene regulieren. Die nachfolgende Expressionsanalyse dieser Kandidatengene in Biomasse-Heterosis Hybriden anderer Arabidopsis Akzessionen zeigte bei einem Teil dieser Gene Expressionsunterschiede, die ihre Bedeutung bei der Heterosis betonen. Darüber hinaus wurde ein Teil dieser regulatorischen Kandidatengene innerhalb von DNS-Regionen gefunden, die eng mit Biomasse- oder Wachstumsheterosis in Verbindung stehen, und somit ihre Wichtigkeit in Bezug auf Heterosis unterstreichen. Weitergehende Analysen um die Rolle dieser ausgewählten regulatorischen Kandidatengene bei der Heterosis aufzuklären, waren nicht aussagekräftig genug, um ihre Rolle bei der Heterosis zu bestätigen. In der Doktorarbeit wird die Notwendigkeit neue Wege zur Aufklärung der Heterosis zu finden, diskutiert. Zusammenfassend gibt diese Doktorarbeit einen Einblick über Studien der molekularen Mechanismen, die der Heterosis zugrunde liegen. Diese Arbeit zeigt, dass obwohl Heterosis bereits seit mehr als hundert Jahren studiert wird, weitere Untersuchungen zur Aufklärung dieses Phänomens notwendig sind.
KW  - Heterosis
KW  - Arabidopsis
KW  - Biomasse
KW  - Regulatorische Gene
KW  - heterosis
KW  - Arabidopsis
KW  - biomass
KW  - regulatory genes
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-46146
ER  - 
TY  - THES
A1  - Andorf, Sandra
T1  - A systems biological approach towards the molecular basis of heterosis in Arabidopsis thaliana
T1  - Ein systembiologischer Ansatz für das Verständnis der molekularen Grundlagen von Heterosis in Arabidopsis thaliana
N2  - Heterosis is defined as the superiority in performance of heterozygous genotypes compared to their corresponding genetically different homozygous parents. This phenomenon is already known since the beginning of the last century and it has been widely used in plant breeding, but the underlying genetic and molecular mechanisms are not well understood. In this work, a systems biological approach based on molecular network structures is proposed to contribute to the understanding of heterosis. Hybrids are likely to contain additional regulatory possibilities compared to their homozygous parents and, therefore, they may be able to correctly respond to a higher number of environmental challenges, which leads to a higher adaptability and, thus, the heterosis phenomenon. In the network hypothesis for heterosis, presented in this work, more regulatory interactions are expected in the molecular networks of the hybrids compared to the homozygous parents. Partial correlations were used to assess this difference in the global interaction structure of regulatory networks between the hybrids and the homozygous genotypes. This network hypothesis for heterosis was tested on metabolite profiles as well as gene expression data of the two parental Arabidopsis thaliana accessions C24 and Col-0 and their reciprocal crosses. These plants are known to show a heterosis effect in their biomass phenotype. The hypothesis was confirmed for mid-parent and best-parent heterosis for either hybrid of our experimental metabolite as well as gene expression data. It was shown that this result is influenced by the used cutoffs during the analyses. Too strict filtering resulted in sets of metabolites and genes for which the network hypothesis for heterosis does not hold true for either hybrid regarding mid-parent as well as best-parent heterosis. In an over-representation analysis, the genes that show the largest heterosis effects according to our network hypothesis were compared to genes of heterotic quantitative trait loci (QTL) regions. Separately for either hybrid regarding mid-parent as well as best-parent heterosis, a significantly larger overlap between the resulting gene lists of the two different approaches towards biomass heterosis was detected than expected by chance. This suggests that each heterotic QTL region contains many genes influencing biomass heterosis in the early development of Arabidopsis thaliana. Furthermore, this integrative analysis led to a confinement and an increased confidence in the group of candidate genes for biomass heterosis in Arabidopsis thaliana identified by both approaches.
N2  - Als Heterosis-Effekt wird die Überlegenheit in einem oder mehreren Leistungsmerkmalen (z.B. Blattgröße von Pflanzen) von heterozygoten (mischerbigen) Nachkommen über deren unterschiedlich homozygoten (reinerbigen) Eltern bezeichnet. Dieses Phänomen ist schon seit Beginn des letzten Jahrhunderts bekannt und wird weit verbreitet in der Pflanzenzucht genutzt. Trotzdem sind die genetischen und molekularen Grundlagen von Heterosis noch weitestgehend unbekannt. Es wird angenommen, dass heterozygote Individuen mehr regulatorische Möglichkeiten aufweisen als ihre homozygoten Eltern und sie somit auf eine größere Anzahl an wechselnden Umweltbedingungen richtig reagieren können. Diese erhöhte Anpassungsfähigkeit führt zum Heterosis-Effekt. In dieser Arbeit wird ein systembiologischer Ansatz, basierend auf molekularen Netzwerkstrukturen verfolgt, um zu einem besseren Verständnis von Heterosis beizutragen. Dazu wird eine Netzwerkhypothese für Heterosis vorgestellt, die vorhersagt, dass die heterozygoten Individuen, die Heterosis zeigen, mehr regulatorische Interaktionen in ihren molekularen Netzwerken aufweisen als die homozygoten Eltern. Partielle Korrelationen wurden verwendet, um diesen Unterschied in den globalen Interaktionsstrukturen zwischen den Heterozygoten und ihren homozygoten Eltern zu untersuchen. Die Netzwerkhypothese wurde anhand von Metabolit- und Genexpressionsdaten der beiden homozygoten Arabidopsis thaliana Pflanzenlinien C24 und Col-0 und deren wechselseitigen Kreuzungen getestet. Arabidopsis thaliana Pflanzen sind bekannt dafür, dass sie einen Heterosis-Effekt im Bezug auf ihre Biomasse zeigen. Die heterozygoten Pflanzen weisen bei gleichem Alter eine höhere Biomasse auf als die homozygoten Pflanzen. Die Netzwerkhypothese für Heterosis konnte sowohl im Bezug auf mid-parent Heterosis (Unterschied in der Leistung des Heterozygoten im Vergleich zum Mittelwert der Eltern) als auch auf best-parent Heterosis (Unterschied in der Leistung des Heterozygoten im Vergleich zum Besseren der Eltern) für beide Kreuzungen für die Metabolit- und Genexpressionsdaten bestätigt werden. In einer Überrepräsentations-Analyse wurden die Gene, für die die größte Veränderung in der Anzahl der regulatorischen Interaktionen, an denen sie vermutlich beteiligt sind, festgestellt wurde, mit den Genen aus einer quantitativ genetischen (QTL) Analyse von Biomasse-Heterosis in Arabidopsis thaliana verglichen. Die ermittelten Gene aus beiden Studien zeigen eine größere Überschneidung als durch Zufall erwartet. Das deutet darauf hin, dass jede identifizierte QTL-Region viele Gene, die den Biomasse-Heterosis-Effekt in Arabidopsis thaliana beeinflussen, enthält. Die Gene, die in den Ergebnislisten beider Analyseverfahren überlappen, können mit größerer Zuversicht als Kandidatengene für Biomasse-Heterosis in Arabidopsis thaliana betrachtet werden als die Ergebnisse von nur einer Studie.
KW  - Systembiologie
KW  - Heterosis
KW  - Molekulare Profildaten
KW  - Integrative Analyse
KW  - Systems biology
KW  - Heterosis
KW  - Molecular profile data
KW  - Integrative analysis
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51173
ER  -