Universität zu Köln

Ilk, Nadine (2012). Genetic bases of plant performance in different environmental scenarios using natural variation in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plant performance is the result of many individual processes which are influenced by environmental factors. Flowering time and the production of secondary metabolites such as anthocyanins affect plant performance. These specific and other related traits were quantified on a new recombinant inbred line population of Arabidopsis thaliana derived from a cross between Ler (Poland) and Eri-1 (Sweden). Altogether, 110 recombinant inbred lines were grown under two contrasting environmental scenarios: i) high light intensity and low temperature (HL4 for High Light 4°C) and ii) commonly used light intensity and temperature when growing Arabidopsis thaliana in growth chambers. This allowed us to detect QTL (Quantitative Trait Loci). In addition, Eri-1 accession was sequenced to obtain polymorphisms between the parental accessions. Mapped QTL indicated that Ler/Eri-1 variation in flowering time and/or anthocyanin accumulation is mainly caused by three interacting QTL. One of these QTL is located on chromosome III and is involved in flowering time in both tested conditions. Selected lines were phenotyped for validation and fine mapping of this QTL, which lead to the identification of two closely linked additive QTL. Candidate genes are proposed. Other QTL is located on chromosome V and is involved in both flowering time and anthocyanin accumulation under HL4 conditions. The validation and fine mapping lead to the identification of the gene HUA2, a pre-mRNA processing factor, as being responsible for flowering time variation observed for this QTL. HUA2 has previously been shown to positively regulate a MADS box gene FLC, which is involved in the regulation of flowering time. In addition, expression analyses strongly suggest that HUA2 is also responsible for the variation of anthocyanin accumulation. Finally, in accordance with epistatic interactions and sequence variation between the parental accessions, we propose a model that explains how HUA2 could be involved in the regulation of late anthocyanin biosynthesis genes via the MYB-bHLH-WD40 transcriptional activation complex in HL4 conditions. Sequencing accessions of Arabidopsis thaliana has become more accessible, facilitating the identification of candidate genes for detected QTL, as could be shown in this study. This project reveals a link between flowering time and secondary metabolism, highlighting the power of using natural variation to dissect the genetic architecture of responses of metabolic pathways to environmental scenarios.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Pflanzenwachstum wird von verschiedensten Stoffwechselprozessen beeinflusst, welche unter den ständigen Auswirkungen von Umweltfaktoren stehen. Blühzeit und die Produktion von Sekundärmetaboliten (z.B. Anthocyane) sind zwei Fakoren, die Einfluß auf die Ausprägung des Pflanzenwachstums nehmen. Diese beiden und weitere verwandte Merkmale wurden mit Hilfe einer rekombinanten Inzuchtlinienpopulation von Arabidopsis thaliana quantitativ erfasst. Die Population stammt aus einer Kreuzung zwischen den Ökotypen Ler (Polen) und Eri-1 (Schweden). Das Wachstum von insgesamt 110 rekombinanten Inzuchtlinien erfolgte in zwei unterschiedlichen Umweltbedingungen: (i) in Starklicht und niedriger Temperatur (4°C; „HL4“) und (ii) unter für Arabidopsis thaliana üblichen Standardbedingungen. Wir waren dadurch in der Lage, verschiedene QTL zu detektieren. Um Polymorphismen zwischen den elterlichen Linien bestimmen zu können, wurde eine vollständige Sequenzierung der Linie Eri-1 durchgeführt. Durch die Kartierung der QTL fanden wir Hinweise, dass die beobachteten Unterschiede zwischen Ler/Eri-1 in Blühzeit und/oder Anthocyangehalt vorwiegend durch drei interagierende QTL hervorgerufen werden. Ein auf Chromosom III liegendes QTL nimmt Einfluss auf die Blühzeit in beiden Umweltbedingungen. Um dieses QTL zu validieren und genauer zu kartieren, erfolgte eine Phänotypisierung ausgewählter Nachkommen. Dieses führte zur Identifizierung von zwei nah beieinander liegenden, additiven QTL. Es werden verschiedene Gene vorgestellt, die dem QTL Effekt zu Grunde liegen könnten. Ein weiteres, auf Chromosom V lokalisierter QTL, nimmt Einfluss auf die Blühzeit und den Anthocyangehalt unter HL4 Bedingungen. Innerhalb diesem QTL konnte im Verlauf des Validierungsprozesses und der genaueren Kartierung das Gen HUA2 als genetische Grundlage für die unterschiedlichen Blühzeiten identifiziert werden. Es ist bekannt, dass HUA2, ein prä-mRNA prozessierender Faktor, eine positive Regulierung des MADS-Box Gens FLC bewirkt, welches seinerseits Einfluss auf Blühzeiten nimmt. Zudem haben Expressionsanalysen gezeigt, dass HUA2 in direktem Zusammenhang mit dem Anthocyangehalt steht. In Übereinstimmung mit epistatischen Interaktionen und Sequenzunterschieden zwischen den parentalen Linien stellen wir ein Modell vor, in dem HUA2 die Regulation der späten Biosynthese von Anthocyanen, abhängig vom MYB-bHLH-WD40 Transkriptionsaktivierungskomplex unter HL4 Bedingungen, beeinflusst. Sowohl die ständig steigende Menge an Sequenzinformation über Arabidopsis thaliana, als auch die vereinfachte Durchführbarkeit von neuen Sequenzierungen, sowie der kostengünstige Zugang zu Sequenzierungsplattformen, erleichtert, wie auch in dieser Arbeit, die Identifizierung von kausalen Genen innerhalb eines ermittelten QTL. Die innerhalb dieser Arbeit vorgestellte Verbindung zwischen Blühzeit und Sekundärstoffwechsel veranschaulicht in welcher Weise die natürliche Variation innerhalb einer Spezies genutzt werden kann, um genetische Strukturen zu erforschen. Die genetische Vielfalt ist vor allem vor dem Hintergrund der Plastizität von Stoffwechselwegen wichtig, die Einfluss auf das Pflanzenwachstum in unterschiedlichen Umweltbedingungen haben. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ilk, Nadine nadineilk@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-46322
Date:	12 April 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Natural Variation, Arabidopsis thaliana English
Date of oral exam:	21 June 2011
Referee:	Name Academic Title Koornneef, Maarten Prof.Dr. Höcker, Ute Prof.Dr.
Funders:	IMPRS
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4632