Assessing the genetic architecture underlying systemic responses to variable environments in crops using multi-omics
- Plant metabolism serves as the primary mechanism for converting assimilated carbon into essential compounds crucial for plant growth and ultimately, crop yield. This renders it a focal point of research with significant implications. Despite notable strides in comprehending the genetic principles underpinning metabolism and yield, there remains a dearth of knowledge regarding the genetic factors responsible for trait variation under varying environmental conditions. Given the burgeoning global population and the advancing challenges posed by climate change, unraveling the intricacies of metabolic and yield responses to water scarcity became increasingly important in safeguarding food security.
Our research group has recently started to work on the genetic resources of legume species. To this end, the study presented here investigates the metabolic diversity across five different legume species at a tissue level, identifying species-specific biosynthesis of alkaloids as well as iso-/flavonoids with diverse functional groups, namelyPlant metabolism serves as the primary mechanism for converting assimilated carbon into essential compounds crucial for plant growth and ultimately, crop yield. This renders it a focal point of research with significant implications. Despite notable strides in comprehending the genetic principles underpinning metabolism and yield, there remains a dearth of knowledge regarding the genetic factors responsible for trait variation under varying environmental conditions. Given the burgeoning global population and the advancing challenges posed by climate change, unraveling the intricacies of metabolic and yield responses to water scarcity became increasingly important in safeguarding food security.
Our research group has recently started to work on the genetic resources of legume species. To this end, the study presented here investigates the metabolic diversity across five different legume species at a tissue level, identifying species-specific biosynthesis of alkaloids as well as iso-/flavonoids with diverse functional groups, namely prenylation, phenylacylation as well as methoxylation, to create a resource for follow up studies investigation the metabolic diversity in natural diverse populations of legume species.
Following this, the second study investigates the genetic architecture of drought-induced changes in a global common bean population. Here, a plethora of quantitative trait loci (QTL) associated with various traits are identified by performing genome-wide association studies (GWAS), including for lipid signaling. On this site, overexpression of candidates highlighted the induction of several oxylipins reported to be pivotal in coping with harsh environmental conditions such as water scarcity.
Diverging from the common bean and GWAS, the following study focuses on identifying drought-related QTL in tomato using a bi-parental breeding population. This descriptive study highlights novel multi-omic QTL, including metabolism, photosynthesis as well as fruit setting, some of which are uniquely assigned under drought. Compared to conventional approaches using the bi-parental IL population, the study presented improves the resolution by assessing further backcrossed ILs, named sub-ILs.
In the final study, a photosynthetic gene, namely a PetM subunit of the cytochrome b6f complex encoding gene, involved in electron flow is characterized in an horticultural important crop. While several advances have been made in model organisms, this study highlights the transition of this fundamental knowledge to horticultural important crops, such as tomato, and investigates its function under differing light conditions. Overall, the presented thesis combines different strategies in unveiling the genetic components in multi-omic traits under drought using conventional breeding populations as well as a diverse global population. To this end, it allows a comparison of either approach and highlights their strengths and weaknesses.…
- Der pflanzliche Stoffwechsel ist der wichtigste Mechanismus für die Umwandlung von assimiliertem Kohlenstoff in essenzielle Verbindungen, die für das Pflanzenwachstum und letztlich den Ernteertrag entscheidend sind. Dies macht ihn zu einem Schwerpunkt der Forschung mit erheblichen Auswirkungen. Trotz bemerkenswerter Fortschritte beim Verständnis der genetischen Prinzipien, die dem Stoffwechsel und den Erträgen zugrunde liegen, gibt es nach wie vor einen Mangel an Wissen über die genetischen Faktoren, die für die Variation von Merkmalen unter verschiedenen Umweltbedingungen verantwortlich sind. In Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung und der zunehmenden Herausforderungen durch den Klimawandel wird es immer wichtiger, die Feinheiten des Stoffwechsels und des Ertrags auf Wasserknappheit zu entschlüsseln, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten.
Unsere Forschungsgruppe hat vor kurzem damit begonnen, sich mit den genetischen Ressourcen von Leguminosen zu befassen. Zu diesem Zweck untersucht die hier vorgestellte Studie dieDer pflanzliche Stoffwechsel ist der wichtigste Mechanismus für die Umwandlung von assimiliertem Kohlenstoff in essenzielle Verbindungen, die für das Pflanzenwachstum und letztlich den Ernteertrag entscheidend sind. Dies macht ihn zu einem Schwerpunkt der Forschung mit erheblichen Auswirkungen. Trotz bemerkenswerter Fortschritte beim Verständnis der genetischen Prinzipien, die dem Stoffwechsel und den Erträgen zugrunde liegen, gibt es nach wie vor einen Mangel an Wissen über die genetischen Faktoren, die für die Variation von Merkmalen unter verschiedenen Umweltbedingungen verantwortlich sind. In Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung und der zunehmenden Herausforderungen durch den Klimawandel wird es immer wichtiger, die Feinheiten des Stoffwechsels und des Ertrags auf Wasserknappheit zu entschlüsseln, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten.
Unsere Forschungsgruppe hat vor kurzem damit begonnen, sich mit den genetischen Ressourcen von Leguminosen zu befassen. Zu diesem Zweck untersucht die hier vorgestellte Studie die Stoffwechselvielfalt bei fünf verschiedenen Leguminosen auf Gewebeebene und identifiziert die artspezifische Biosynthese von Alkaloiden sowie Iso-/Flavonoiden mit verschiedenen funktionellen Gruppen, nämlich Prenylierung, Phenylacylierung sowie Methoxylierung, um eine Ressource für Folgestudien zu schaffen, die die Stoffwechselvielfalt in verschiedenen natürlichen Populationen von Leguminosen untersuchen.
Im Anschluss daran wird in der zweiten Studie die genetische Architektur trockenheitsbedingter Veränderungen in einer globalen Bohnenpopulation untersucht. Hier wird eine Vielzahl von quantitativen Merkmalsloci (QTL) identifiziert, die mit verschiedenen Merkmalen assoziiert sind, darunter auch für die Lipidsignalübertragung, unter Durchführung genomweite Assoziationsstudien (GWAS). Die Überexpression von Kandidaten auf dieser Seite hat die Induktion mehrerer Oxylipine hervorgehoben, die Berichten zufolge für die Bewältigung rauer Umweltbedingungen wie Wasserknappheit von zentraler Bedeutung sind.
Abweichend von der Bohne und der GWAS konzentriert sich die folgende Studie auf die Identifizierung trockenheitsbezogener QTL bei der Tomate unter Verwendung einer bi-elterlichen Zuchtpopulation. Diese deskriptive Studie hebt neuartige multi-omische QTL hervor, einschließlich für Stoffwechsel, Photosynthese und Fruchtansatz, von denen einige eindeutig dem Dürre-Stress zugeordnet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, bei denen die bi-elterliche IL-Population verwendet wird, verbessert die vorgestellte Studie die Auflösung, indem weitere rückgekreuzte ILs, so genannte sub-ILs, untersucht werden.
In der letzten Studie wird ein photosynthetisches Gen, nämlich eine PetM-Untereinheit des Cytochrom b6fKomplexes, das am Elektronenfluss beteiligt ist, in einer für den Gartenbau wichtigen Pflanze charakterisiert. Während bei Modellorganismen bereits zahlreiche wissenschaftliche Fortschritte erzielt wurden, beleuchtet diese Studie den Übergang dieses grundlegenden Wissens auf wichtige Gartenbaupflanzen wie die Tomate und untersucht ihre Funktion unter verschiedenen Lichtbedingungen.
Insgesamt werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Strategien kombiniert, um die genetischen Komponenten multi-omischer Merkmale bei Trockenheit aufzudecken, wobei sowohl konventionelle Zuchtpopulationen als auch eine vielfältige globale Population verwendet werden. Zu diesem Zweck ermöglicht sie einen Vergleich beider Ansätze und zeigt ihre Stärken und Schwächen auf.…
