Forschungsgebiet “Analyse von Wachstum und

Forschungsgebiet “Analyse von Wachstum und Metabolismus während der vegetativen Entwicklung ”
Pflanzen sind in der Lage mit Hilfe des Sonnenlichts im Zuge der Photosynthese alle für ihr Wachstum und ihre
Entwicklung notwendigen organischen Stoffe aufzubauen. Ihr Wachstum bzw. die Zunahme an Biomasse hängt
somit von ihrer Photosynthese- bzw. dem Stoffaufbauvermögen ab. Welche Stoffe in welcher Menge gebildet
werden, ist abhängig von Umweltfaktoren, wie Lichtmenge, Wasser- oder Nährstoffangebot oder auch vom
Schädlingsbefall. Die Pflanze muss die vorhandenen Ressourcen für die Bildung von Biomasse, Reservestoffen
zur Überbrückung von Mangelperioden oder Stoffen zur Schädlingsabwehr optimal nutzen. Dies setzt eine
ziemlich straffe Regulation und Steuerung des Stoffaufbaus voraus.
Wir stellen uns die Frage, wie und wodurch die Pflanze das Wachstum, also die Zunahme an Biomasse steuert.
Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen nutzen wir in erster Linie zwei Modellpflanzensysteme,
Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.), und Mais (Zea mays L.)
Laufende Projekte:
Natürliche Wachstumsdiversität unter wechselnden Umweltbedingungen und QTL
Detektierung mittels Kopplungs- und Assoziationskartierung in Arabidopsis
Wir möchten genetische Faktoren identifizieren, die Pflanzenwachstum kontrollieren. Dazu nutzen wir die
Analyse quantitativer Merkmalsloci (quantitative trait loci, QTL), ein leistungsfähiger Ansatz, um Gene zu
kartieren und letztendlich zu identifizieren, die an komplexen Merkmalen beteiligte. Für diesen Zweck haben wir
unterschiedliche Kartierungspopulationen erstellt und genotypisiert: fünf Populationen rekombinanter
Inzuchtlinien (RIL) aus reziproken Kreuzungen von C24 mit Col-0 (Törjek et al. 2006), Ak-1, Bch, Nd und Ler;
zwei reziproke Sets von Introgressionslinien (ILs) der Kombination C24/Col-0 mit einer mindestens 95%
Abdeckung des Donorgenoms (Törjek et al. 2008); und eine Sammlung von 182 unterschiedlichen Arabidopsis
Akzessionen, genotypisiert mit 250.000 SNP-Markern, für Assoziationskartierungen. Als zusätzliche Ressource
stehen binäre Cosmidbanken der Akzessionen Col-0 und C24 zur Verfügung.
Das Wachstumsverhalten dieser Populationen unter kontrastierenden und/oder variablen Umweltbedingungen
wie erhöhte Lichtintensität, variierende Temperatur, begrenztes Wasser- oder Nährstoffangebot, ist
Hauptgegenstand unserer Untersuchungen.
Feinkartierung von QTL für Biomasse-Heterosis in Arabidopsis
Heterosis ist ein biologisches Phänomen von grundlegender Bedeutung für Landwirtschaft und Züchtung. Es
bezeichnet die höhere Leistungsfähigkeit von Hybriden gegenüber den Eltern in Bezug auf Größe, Wüchsigkeit,
Ertrag, Fertilität, Stresstoleranz. Obwohl Heterosis seit Jahrzehnten in der Pflanzenzüchtung genutzt wird (z.B.
bei Mais), sind die zugrunde liegenden genetischen und molekularen Mechanismen größtenteils noch unbekannt.
Wir versuchen, Grundlagen der Heterosis in Pflanzen zu enträtseln, indem wir Biomasse-Heterosis in
Arabidopsis auf molekularer Ebene untersuchen. Die Identifizierung heterotischer QTL in Arabidopsis (Meyer et
al. 2010) ermöglicht die Kombination von QTL-Analysen mit Transkript- und Metabolitprofilen, um
physiologische und molekulare Prozesse zu entdecken, die an Heterosis beteiligt sind.
Durch QTL Analysen in RILs und ILs konnten 10 genomische Regionen bestimmt werden, die BiomasseHeterosis im frühen Entwicklungsstadium beeinflussen (Fig. 1) und individuell zwischen 2,4% und 15,7% der
beobachteten phänotypischen Variation erklären. Drei heterotische Biomasse (hb)QTL auf Chromosom 1, 3 und
4 werden einer Feinkartierung und detaillierten molekularen Charakterisierung unterzogen. Unter Verwendung
der Genotyp- und Phänotypinformation von mehreren hundert Linien von heterozygoten IL Familien (ILFs), in
denen genomische Segmente im Bereich der hbQTL aufspalten (segregieren), konnte die QTL Region auf
Chromosom 4 auf ca. 45 kb mit 14 annotierten Genen begrenzt werden. Der hbQTL auf Chromosom 1 konnte
durch eine Kombination von Feinkartierung mittels aus RIL entwicklten aufspaltenden heterogenen
Inzuchtfamilien (HIFs) mit Assoziationskartierung in einer Sammlung aus Arabidopsis Akzessionen auf eine
Kandidatenregion von 420 kb mit 120 annotierten Genen reduziert werden. Weitergehende Feinkartierungen
mittels subILs sind geplant. Die selbe Strategie wird für den hbQTL auf Chromosom 3 verfolgt. Auch ein nicht
heterotischer Biomasse QTL auf Chromosom 3, der vermutlich eine wichtige Rolle am crosstalk zwischen
Metabolismus und Wachstumskontrolle spielt, konnte mit dieser Strategie auf 500 kb mit 112 annotierten Genen
begrenzt werden.
Fig. 1: Localisierung der heterotischen und per se QTL auf der genetischen Karte der Col-0/C24
RILs
DW – Trockengewicht, LA – Blattfläche, RGR – relative Wachstumsrate, -C24 – mid-parent-heterosis
in der Kreuzung C24xRIL, -Col – mid-parent-heterosis in der Kreuzung Col-0xRIL, DW-IL – in
Introgressionslinie identifizierter hbQTL.