Universität zu Köln

Entwicklungsabhängige Analysen zum Kohlenstoffmetabolismus und biotechnologische Ansätze zur Ertragssteigerung der Nutzpflanzen Beta vulgaris (Zuckerrübe) und Solanum tuberosum (Kartoffel)

Wöstefeld, Nicole (2014) Entwicklungsabhängige Analysen zum Kohlenstoffmetabolismus und biotechnologische Ansätze zur Ertragssteigerung der Nutzpflanzen Beta vulgaris (Zuckerrübe) und Solanum tuberosum (Kartoffel). PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Die Zuckerrübe (Beta vulgaris subsp. Vulgaris) und die Kartoffel (Solanum tuberosum) sind wichtige Nutzpflanzen in Europa. Die beiden Rohstoffe Zucker und Stärke haben sowohl für die Nahrungsmittelindustrie, als auch für die industrielle Verarbeitung einen hohen Stellenwert, wodurch die Anforderungen an die Rohstoffpflanzen immer größer werden. Daher besteht ein Ziel der grünen Biotechnologie darin, den Ertrag der Pflanzen weiter zu erhöhen. In der vorliegenden Arbeit sollten Zuckerrübenpflanzen über ihre gesamte Entwicklung auf verschiedene Parameter und unter verschiedenen Bedingungen untersucht werden. Zusätzlich sollten zwei verschiedene biotechnologische Ansätze zur Ertragsteigerung von Zuckerrübenpflanzen untersucht werden. Die Wachstumscharakteristika der im Gewächshaus angezogenen Zuckerrübenpflanzen ähneln denen im Freiland. Jedoch zeigten die Pflanzen im Gewächshaus eine Wachstumslimitierung. Diese ist zum einen durch eine zu niedrig gewählte Lichtintensität und zum anderen durch die Anzucht im Topf bedingt. Die Ergebnisse der verschiedenen Experimente zeigen, dass unter konstanten Bedingungen die Ergebnisse gut reproduzierbar sind. Generell kann das Rübenwachstum in drei Phasen eingeteilt werden: Erste Phase: Aufbau der Blätter, zweite Phase: Aufbau der Rübenpfahlwurzel, dritte Phase: verstärkte Akkumulation der Saccharose. Es konnte gezeigt werden, dass die Expression der am Kohlenstoffmetabolismus beteiligten Gene, wie z.B. der Phosphattranslokatoren, während der Zuckereinlagerungsphase im Vergleich zur Wachstumsphase erhöht war. Interessanterweise gibt es in Zuckerrübe zwei TMT2 Homologe, deren Expression in der Rübe während der Zuckereinlagerungsphase deutlich erhöht war. Möglicherweise ist dieser am Import von Saccharose in die Vakuole beteiligt. Ein Ansatz zur Ertragssteigerung von Beta vulgaris war die Erhöhung der source-Kapazität, wobei die AGPase blattspezifisch reprimiert werden sollte. Der andere Ansatz beruhte auf der Erhöhung der sink-Kapazität. Es sollte der mitochondriale AAC rübenspezifischen überexprimiert werden. Die beiden Konstrukte zur Transformation der Zuckerrüben wurden im Rahmen dieser Arbeit fertiggestellt, jedoch war es nicht möglich, die Pflanzen in dieser Zeit zu analysieren. Es bleibt abzuwarten, ob und wie die beiden Ansätze Einfluss auf den Ertrag der Zuckerrübenpflanzen nehmen. Ein weiteres Ziel dieser Dissertation bestand darin, mit Hilfe von verschiedenen biotechnologischen Ansätzen, die Frage zu beantworten, ob eine zusätzliche Ertragssteigerung von bereits genetisch veränderten Kartoffelpflanzen möglich ist. Ein Ansatz bestand darin, die sink-Kapazität von Kartoffelpflanzen weiter zu optimieren. Zu diesem Zweck wurde zusätzlich der AtAAC1 im Hintergrund der doppelt transgenen BGA-Pflanzen knollenspezifisch überexprimiert. Diese dreifachtransgenen ACGN-Pflanzen zeigten jedoch keine zusätzlichen Ertragsteigerungen im Vergleich zu den BGA-Pflanzen. Im Wesentlichen wurden die Ergebnisse von Zhang et al., (2008) reproduziert. Ein weiterer Ansatz bestand darin zu überprüfen, ob eine zusätzliche Seneszenz-spezifische Überexpression der IPT im Hintergrund der BGA-Pflanzen zur Verhinderung der Ertragseinbußen im Freiland führt. Es wurden in dieser Arbeit die dreifach transgene IGN-Pflanzen hergestellt und in Gewächshausanzuchten auf ihre Seneszenz und den Ertrag hin analysiert. Darüber hinaus wurde die Aktivität des SAG12-Promotors und die Auswirkung der verzögerten Seneszenz im Wildtyphintergrund untersucht. Die Aktivität des Promotors ist auch in Solanum tuberosum Seneszenz-spezifisch. Auch eine erfolgreiche Verzögerung der Seneszenz durch das SAG12-IPT Konstrukt konnte in Solanum tuberosum gezeigt werden, was leichte Ertragssteigerungen in den IPT-Pflanzen zur Folge hatte. In den IGN-Pflanzen wurde ebenfalls die Seneszenz erfolgreich verzögert. Eine zusätzliche Ertragsteigerung durch die verzögerte Seneszenz war im Gewächshaus nicht nachweisbar. Es bleibt abzuwarten, ob durch die zusätzliche Seneszenz-spezifische Überexpression der IPT durch den SAG12-Promotor im Hintergrund der BGA-Pflanzen zur Verhinderung des Ertragsverlusts im Freiland führt. Dazu müssten die IGN-Pflanzen unter Freilandbedingungen analysiert werden.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Sugar beet (Beta vulgaris subsp. Vulgaris) and potato (Solanum tuberosum) are important crop plants in Europe. The raw products of these plants, namely sugar and starch, play an important role in the food and materials industry. The improvement of these products and their quality is a major aim of green biotechnology. The aim of the thesis was to analyze the development and different parameters of sugar beet plants. Additionally we aimed to increase tap root yield and sugar content by alteration of the source/sink relationship of sugar beet. The characteristics of the development stages of sugar beet grown in the greenhouse were similar to plants grown in the field. But plants grown in the greenhouse showed growth limitations due to low light intensity and pot size limitations. Moreover, all results were reproducible under the tested conditions. In general the growth of sugar beet plants can be divided in three phases: First phase: leaf development Second phase: tap root development Third phase: sugar accumulation It could be shown that different genes, which are involved in carbohydrate metabolism showed a higher expression during the sugar storage phase. Interestingly, sugar beet has two TMT2 homologues, which were highly expressed during the sugar storage phase. These sugar transporters maybe involved in sucrose uptake into tap root vacuoles. To increase tap root yield and sugar content we used two different approaches. One approach was to increase the source capacity by the leaf-specific repression of AGPase. The other approach was to enhance the sink capacity by the tap root-specific over expression of the mitochondrial AAC transporter. Both constructs were produced during this work, but the transformation is still going on. It remains to be seen which effects both approaches on the yield have. An additional aim of this thesis was to analyze different biotechnological approaches to increase the starch content of genetically modified potato plants. One approach was to modify the sink capacity with the tuber-specific over expression of AtAAC1 in the background of the transgenic BGA-potato plants. The resulting triple transgenic ACGN showed no additional yield in comparison to the double transgenic BGA-plants (Zhang et al., 2008). A subsequent approach was to delay the senescence of the BGA-plants to overcome reduced yield in field trials. Therefore, we used a senescence-specific over expression of IPT in the BGA background. We analyzed the senescence-specific activity of the SAG12 promoter in potato plants and the influence of the senescence-specific over expression of IPT in wild-type background. The activity of the SAG12 promoter was shown to be senescence-specific and senescence was delayed in the IPT over expression in both wild-type background and double transgenic background (IGN-plants) but there was no increase of yield detectable in the greenhouse. Future work will focus on producing delayed senescence yield increases in the field.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Wöstefeld, Nicolenicole.woestefeld@web.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-57034
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Seneszenz, Zuckerrübe, Kartoffel, Ertragssteigerung, SAG12, IPT, Isopentenyltransferase, Zuckergehalt, Stärke, Zuckerrübe, Wachstum, Freilandanzucht, Gewächshaus, SaccharosegehaltGerman
    senescence, sugar beet, potato, growth, SAG12, IPT, isopentenyltransferase, sugar, starch, sugar beet, growth, field cultivation, greenhouse, sucrose content, increased yieldEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Botanisches Institut
    Language: German
    Date: 31 July 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 24 June 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 13 Aug 2014 13:24:29
    Referee
    NameAcademic Title
    Flügge, Ulf-IngoProf. Dr.
    Kopriva, StanislavProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5704

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