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Investigating the role of regulatory genes in heterosis for superior growth and biomass production in Arabidopsis thaliana

Die Rolle von Regulatorischen Genen bei der Entstehung von Wachstums- und Biomassen-Heterosis in Arabidopsis thaliana

  • ‘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‘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.show moreshow less
  • „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„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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Anna Maria Blacha
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-46146
Advisor:Thomas Altmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2010/02/08
Release Date:2010/09/24
Tag:Arabidopsis; Biomasse; Heterosis; Regulatorische Gene
Arabidopsis; biomass; heterosis; regulatory genes
RVK - Regensburg Classification:WC 4150
RVK - Regensburg Classification:WN 5400
RVK - Regensburg Classification:ZC 23400
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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