Universität zu Köln

Rollins, Jarod (2012). Genetic and Proteomic Responses to Abiotic Stress in Barley (Hordeum vulgare). PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Drought and heat stress are the two leading abiotic stresses that limit crop productivity. Understanding the range of responses that a model crop like barley can exhibit in different environments to avoid or tolerate stress will be crucial in unraveling the basis of abiotic stress resistance. The objectives of the present study were to identify i) morphological and physiological traits associated with abiotic stress resistance, ii) genetic loci linked to agronomic performance traits under drought, and iii) proteins differentially regulated in response to heat and drought stress. A barley recombinant inbred line population derived from a cross between the Syrian landrace Arta and the Australian cultivar Keel was grown in a greenhouse under well watered conditions and subjected to drought treatment that began at anthesis and persisted until maturity. Using genotyping data from over 700 genetic markers, a multi-environmental quantitative trait loci (QTL) analysis of morphological and physiological traits was performed. For the proteomic analysis, Arta and Keel were grown in a growth chamber under well watered conditions and subjected to drought, high temperature, or a combination of both treatments starting at anthesis. The leaf proteome of Arta and Keel were visualized and changes in protein spot abundance due to the stress treatments were quantified using difference gel electrophoresis (DIGE). Mass spectrometry was used to identify protein spots excised from the gels. The drought treatment was characterized by morphological plasticity and stability on the physiological and proteomic level. In contrast, the heat treatment caused perturbations on the physiological and proteomic level which were more prominent than the morphological responses that occurred. The QTL analysis revealed nineteen loci for traits associated with agronomic and physiological performance under drought. The proteomic analysis identified 99 protein spots differentially regulated in response to the heat treatment, 14 of which were regulated in a genotype specific manner. Differentially regulated proteins with potential roles in the observed morphological and physiological changes under heat stress included photosynthetic proteins Rusbisco activase B and chlorophyll a-b binding proteins in addition to the glycolytic enzymes fructose-bisphosphate aldolase and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. Of the stress responsive traits, significant differences in plant height, spike fertility, and photosynthetic performance were detected between Arta and Keel. Altogether, the detection of genetic variation in traits responsive to abiotic stress and in protein abundance represent unique stress adaption mechanisms which can be exploited in future crop breeding efforts.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Genetische und Proteomische Reaktionen auf Abiotischen Stress in Gerste (Hordeum vulgare) German
Translated abstract:	Abstract Language Trockenheit und Hitze sind die zwei führenden abiotischen Stressfaktoren, die sich limitierend auf den Ernteertrag auswirken. Ein Verständnis davon welche umfangreichen Reaktionen eine Modelpflanze wie Gerste – wenn unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt – aufweisen kann, um Stressfaktoren zu umgehen, beziehungsweise zu tolerieren, wäre entscheidend bei der Aufklärung abiotischer tressresistenz. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung von i) morphologische und physiologische Reaktionen auf Stress durch Hitze und Trockenheit, ii) genetischen Loci, welche mit agronomischen Merkmalen bezüglich der Ertragsleistung unter trockenen Bedingungen, verbunden sind und iii) Proteinen, die als Reaktion auf Hitze und Trockenheit unterschiedlich reguliert werden. Eine durch rekombinante Zucht erzeugte Gerstensorte, die eine Kreuzung aus der syrischen Landgerste Arta und der australischen Sorte Keel ist, wurde in einem Gewächshaus unter guten Bewässerungsbedingungen gewachsen, und anschließend einer Trockenheitsbehandlung, beginnend mit der Anthesis und die bis zur Reife anhielt, unterzogen. Unter Verwendung von genotypischen Daten von über 700 genetischen Markern wurde eine Multi-umweltbedingte-Merkmal-Loci Analyse (engl.: multi-environmental quantitative trait loci (QTL)) morphologischer und physiologischer Merkmale durchgeführt. Für die proteomische Analyse wurden die parentalen Linien Arta und Keel in einem Gewächshaus unter guten Bewässerungsbedingungen gewachsen und mit der Anthesis startend folgenden Bedingungen ausgesetzt: Trockenheit, erhöhten Temperaturen, oder einer Kombination dieser beiden Bedingungen. Das Blattproteom von Arta und Keel wurde visualisiert, und mittles 2D-Gelelektrophorese (engl.: difference gel electrophoresis (DIGE)) wurde eine Änderung in der Menge an Proteinflecken (protein spots) aufgrund der Stressbehandlungen quantifiziert. Für die Identifizierung der aus den Gelen herausgeschnittenen Proteinflecken wurde Massenspektronomie genutzt. Die Trockenheitsbehandlung war durch morphologische Plastizität und einer Beständigkeit auf physiologischer und proteomischer Ebene charakterisiert. Im Gegensatz dazu hatte eine Hitzebehandlung einen markanteren Störeinfluss auf die Pflanzenphysiologie und Proteinanreicherung als auf die Morphologie. Die QTL Analysen ließen 19 Loci erkennen für Merkmale, die mit einer agronomischen und physiologischen Leistung in Zusammenhang stehen. Durch die Proteomanalyse der parentalen Linien ließen sich 99 Proteine (Proteinflecken) identifizieren, die als Reaktion auf die Hitzebehandlung unterschiedlich reguliert wurden, 14 davon wurden in Abhängigkeit des Genotyps unterschiedlich reguliert. Der Großteil dieser unterschiedlich regulierten Proteine spielt eine Rolle im Stoffwechsel und der Photosynthese. Unterschiedlich regulierte Proteine mit möglichen Funktionen verantwortlich für die beobachteten morphologischen und physiologischen Veränderungen als Reaktion auf Hitzebehandlung, schließen photosynthetische Proteine Rusbisco Aktivase B, Chlorophyll a b bindende Proteine, als auch Glykolytische Enzyme wie Fructosebiphosphataldolase und Glyceraldehyd-3-Phosphatdehydrogenase ein. Einige Merkmale, die Stressabhängig zu sein scheinen, wie z.B. Pflanzengröße, Fertilität der Ähren und die photosynthetische Leistung, haben sich zwischen den zwei Genotypen unter Stressbehandlung deutlich unterschieden. Zusammenfassend erlaubt eine Erkennung der genetischen Variationen dieser stressabhängigen Merkmale sowie der Häufigkeit an Proteinen, dass diese Eigenschaften für spätere Züchtungen ausgenutzt werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rollins, Jarod jarod.rollins@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-48752
Date:	16 August 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Stress, QTL, Heat, Drought, Proteomics, Genetics, Barley English
Date of oral exam:	11 October 2012
Referee:	Name Academic Title Coupland, George Prof. Dr. Ute, Hoecker Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4875