Universität zu Köln

Biotechnologische Ansätze zur Ertragssteigerung in transgenen Kartoffeln (Solanum tuberosum) durch Manipulation der source/sink-Beziehung

Jonik, Claudia (2011) Biotechnologische Ansätze zur Ertragssteigerung in transgenen Kartoffeln (Solanum tuberosum) durch Manipulation der source/sink-Beziehung. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Der universelle Rohstoff Stärke hat sowohl für die Nahrungsmittelindustrie als auch für die industrielle Verarbeitung einen hohen Stellenwert, wodurch die Anforderungen an Rohstoffpflanzen immer größer werden. In Deutschland ist die Kartoffelpflanze ein wichtiger Stärkelieferant. Daher besteht ein Ziel der biotechnologischen Forschung darin, deren Stärkeertrag pro Pflanze zu erhöhen. In der vorliegenden Arbeit sollte durch Analysen dreifach transgener Kartoffelpflanzen untersucht werden, ob die gleichzeitige Erhöhung von source und sink Kapazität zu Ertragssteigerungen führt. Es wurden zwei unterschiedliche Ansätze zur Erhöhung der source Kapazität verwendet, zum einen die blattspezifische Repression der StAGPase und zum anderen die mesophyllspezifische Überexpression der EcPPase. Die Erhöhung der sink Kapazität erfolgte durch simultane knollenspezifische Überexpression des PsGPT und AtNTT, was bereits in früheren Studien zu Ertragssteigerungen in Kartoffelpflanzen führte (Zhang et al., 2008). Die AGN- und PGN-Pflanzen zeigten in Gewächshausanzuchten eindeutige Ertragsteigerungen im Vergleich zum Wildtyp und zu der zweifach transgenen Linie, deren sink Stärke erhöht ist. Der Knollenertrag war in den AGN-Linien um durchschnittlich 62%, der Stärkegehalt in Knollen um durchschnittlich 47% und der Stärkeertrag von Kartoffelknollen pro Pflanze durchschnittlich um den Faktor 2,4 im Vergleich zum Wildtyp gesteigert. In den PGN-Linien war der Knollenertrag um durchschnittlich 67%, der Stärkegehalt in Knollen um durchschnittlich 46% und der Stärkeertrag von Kartoffelknollen pro Pflanze durchschnittlich um den Faktor 2,5 im Vergleich zum Wildtyp erhöht. Diese Steigerungen lassen sich dadurch erklären, dass in den dreifach transgenen Pflanzen der Assimilatfluss in die Saccharosesynthese erfolgreich erhöht wurde, was eine erhöhte Zuckerexportkapazität zeigte. Dieser erhöhte Zuckerexport konnte in die sink Organe weitergeleitet werden und hatte zudem einen reduzierten Assmilatfluss in die Blattstärkesynthese und dadurch reduzierte Blattstärkegehalte zur Folge. Diese Erkenntnisse konnten für die AGN-Pflanzen in einer Beetanzucht unter freilandähnlichen Bedingungen bestätigt werden. Als Konsequenz der verbesserten Verfügbarkeit von ADP-Glukose in Knollen, aufgrund des erhöhten Imports von Glukose-6-Phosphat und ATP, konnte ein erhöhter Amylosegehalt in Knollen detektiert werden, was auf eine erhöhte Leistung der granagebundenen Stärkesynthase hinweist. Entwicklungs-abhängige Analysen der AGN-Pflanzen deuten darauf hin, dass die photosynthetische Aktivität in AGN-Pflanzen länger aufrechterhalten bleibt und die Pflanzen sich länger in der Speicherphase befinden. Es konnte gezeigt werden, dass die gleichzeitige Erhöhung von source und sink Kapazität in Kartoffelpflanzen zu eindeutigen Ertragssteigerungen führt, was nicht nur für die Ertragssteigerung in der Kartoffelpflanze von großem biotechnologischem Interesse sein könnte, sondern auch für andere Nutzpflanzen.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    The all-purpose raw material starch is very important for food industry as well as for industrial processing, whereby the requirements for plants as raw material increase more and more. The potato plant is an important starch resource in Germany. Therefore an aim of biotechnological research is to enhance the total starch content per plant. The aim of the present work was to analyse triple transgenic potato plants, to investigate whether the simultaneous enhancement of source and sink capacities results in an increased yield. Two different approaches to increase the source capacity were applied, on the one hand, the leaf-specific repression of the StAGPase and on the other hand the mesophyll-specific overexpression of the EcPPase. The enhancement of sink capacity occurs by the simultaneous tuber-specific overexpression of the PsGPT and AtNTT that led to increased potato yield in a previous study (Zhang et al., 2008). The AGN and PGN plants indicated a distinct yield enhancement when grown in the greenhouse in comparison to wild-type and double transgenic lines, which are only manipulated in their sink capacitiy. Tuber yield in AGN plants was enhanced on average by about 62%, starch content of tubers on average by about 47% and total starch content produced in tubers per plant was enhanced on average by a factor of 2,4 in comparison to the wild-type. In PGN plants tuber yield was increased on average by about 67%, starch content in tubers on average by about 46% and total starch per plant on average by a factor of 2,5 in comparison to the wild-type. This increase in yield can be explained by a successful increased flow of assimilates towards sucrose synthesis in the triple transgenic lines, which also becomes apparent in an increased sugar export capacity. This enhanced sugar content can be transferred to the sink organs and results in a reduced flow into starch synthesis in leaves and therefore reduced contents of leaf starch. These findings were confirmed for AGN plants in an experiment where plants were grown under conditions similar to field conditions. As a consequence of the enhanced availability of ADP-glucose in tubers, due to the increased glucose-6-phosphate and ATP import, the content of amylose in tubers increased, which can be explained by an increased capacity of the granule-bound starch synthase. Developmental analyses of AGN lines suggest that their photosynthetic activity is longer standing and therefore the plants show longer storage phase than the wild-type. The present work indicate that the simultaneous enhancement of source and sink capacities results in an distinct yield increase in potato plants. This finding is not only of biotechnological interest for yield increase in potato but also for other crop plants.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Jonik, Claudiaclaudiajonik1583@aol.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-43920
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Kartoffelpflanze, Solanum tuberosum, Ertrag, Stärke, AGPase, PPase, GPT, NTT, source, sinkGerman
    potato plant, Solanum tuberosum, yield, starch, AGPase,PPase GPT, NTT, source, sinkEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Botanisches Institut
    Language: German
    Date: 2011
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 20 June 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 27 Oct 2011 17:21:33
    Referee
    NameAcademic Title
    Flügge, Ulf-IngoProf. Dr.
    Waffenschmidt, SabineProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4392

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