Structural, functional and genetic analyses of novel candidate genes for tuber quality traits in potato (Solanum tuberosum L.)

Schreiber, Lena Katharina (2011). Structural, functional and genetic analyses of novel candidate genes for tuber quality traits in potato (Solanum tuberosum L.). PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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The development of diagnostic markers by exploiting the natural allelic variation of candidate genes is a powerful tool in tetraploid potato cultivars for precision breeding regarding complex agronomic traits. Multiple genetic and environmental factors are the basis for important quality traits like starch and processing characteristics. The latter can rely on the balance between tuber starch and sugars that affect potato chip quality due to enzymatic reactions at low temperature (cold-sweetening). The major aim was to screen for superior natural alleles in an interesting set of candidate genes. A candidate gene approach for starch and chip quality traits mainly targets functional candidates involved in carbohydrate metabolism. First, an α-glucan water dikinase (GWD) and a phosphoglucan water dikinase (PWD) were analyzed which trigger the initiation of starch breakdown in Solanum tuberosum. Second, as a post-transcriptional regulatory factor of vacuolar invertase, a putative invertase inhibitor was studied for its contribution to tuber quality traits and its functional role. In order to identify new candidates which do not operate in the starch pathway, in silico homology studies with well characterized genes on the released Solanum phureja genome and “-omics” approaches were used as an experimental basis. A hitherto uncharacterized 6th invertase and a leucine aminopeptidase (LAP) were obtained as third and fourth candidate genes. In all candidate genes, SNPs (single nucleotide polymorphisms) having an effect on starch and chip quality traits were identified. The functional candidates GWD and PWD showed moderate association with all tested tuber quality traits and explained between 4 % and 7 % of the phenotypic variance. The 6th invertase (Inv6) showed high associations and explained up to 10 % and 11 % of the phenotypic variation of chip quality and starch quality, respectively. The role of Inv6 remains to be elucidated, as semi-quantitative expression studies showed rather low expression in tubers and no strong increase upon cold treatment. Interestingly, LAP showed the highest association with tuber quality traits and explained up to 17 % of starch variance and 10 % of variance of chip quality after cold-storage. LAP has been selected as a candidate gene based on a proteomics analysis showing strong differences at protein level between good and bad processing genotypes. Finally, superior alleles of the putative invertase inhibitor were identified which explained 10 % of the phenotypic variance of starch quality traits, whereas no association was detected for chip quality traits. Functional analysis revealed a tuber-specific expression pattern. In vitro inhibition assays of heterologously expressed invertase and inhibitor did not confirm an inhibition of invertase activity. Although natural DNA variants in the different candidate genes showed associations with starch and chip quality traits, their functional role remains to be identified. However, the candidate gene approach is a powerful tool to identify diagnostic molecular markers within functional genes which will facilitate marker-assisted selection and increase breeding efficiency.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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Die Entwicklung von diagnostischen molekularen Markern ist eine viel versprechende Methode, um bei den komplexen und agronomisch sehr bedeutsamen Qualitätsmerkmalen der Kartoffel präzise Züchtungserfolge zu erzielen. Die Entwicklung dieser Marker beruht auf natürlich auftretenden Varianten/Allelen in Kandidatengenen, welche wichtige Stoffwechselschritte katalysieren. Kartoffeln dienen als Grundnahrungsmittel und als wichtiger Lieferant für Stärke. Kältelagerung von Kartoffeln minimiert die Ausbreitung von Pathogenen und vermeidet Keimung, jedoch bewirken niedrige Temperaturen auch, dass Stärke in reduzierende Zucker (Glukose und Fruktose) umgewandelt wird, was in der weiteren Verarbeitung der Knollen störend wirkt und somit unerwünscht ist. Die Zielsetzung dieser Arbeit lag darin, in einem einzigartigen Set von neuen Kandidatengenen natürliche überlegene Allele für verbesserte Stärke- und Verarbeitungseigenschaften zu identifizieren. Die Standardprozedur für die Auswahl von Kandidatengenen in Bezug auf Stärke- und Verarbeitungsmerkmale basiert auf funktionellen Kandidaten, die maßgeblich am Kohlenhydratstoff-wechsel beteiligt sind. So wurden eine α-Glucan Wasser Dikinase (GWD) und eine Phosphoglucan Wasser Dikinase (PWD) analysiert, die den Stärkeabbau in Solanum tuberosum initiieren. Zudem wurde ein möglicher Invertase-Inhibitor auf seinen Einfluss auf die Knollenqualität und seine Funktionsweise als regulierender Faktor der vacuolären Invertase hin untersucht. Um jedoch auch neue Kandidatengene zu identifizieren, die nicht unmittelbar im Stärke-Stoffwechselweg aktiv sind, wurden in silico Homologiestudien von bereits charakterisierten Genen in der veröffentlichten Solanum phureja Genomsequenz und vergleichende Proteomanalysen (“-omics”) durchgeführt. Eine bisher uncharakterisierte sechste Invertase und eine Leucin-Aminopeptidase (LAP) konnten auf diese Weise als weitere Kandidatengene gefunden werden. In allen Kandidatengenen wurden SNPs (single nucleotide polymorphisms) identifiziert, die mit Stärkegehalt und Verarbeitungsqualität assoziiert sind. Die funktionellen Kandidaten GWD und PWD zeigen eine Assoziation mit allen getesteten Merkmalen und zwischen vier und sieben Prozent der phänotypischen Varianz kann erklärt werden. Bei der sechsten Invertase (Inv6) wurde ein etwas höherer Assoziationsgrad nachgewiesen, der zwischen 10 und 11 % der phänotypischen Variation erklärt. Da jedoch die semi-quantitative Expressionsanalyse vergleichsweise geringe Expressionen in den Kartoffelknollen zeigte und zudem kein starker Anstieg in der Expression durch Kältelagerung zu verzeichnen war, ist die genaue Wirkungsweise der Inv6 auf verbesserte Knolleneigenschaften noch zu untersuchen. Bemerkenswerterweise wies LAP die stärkste Assoziation mit Knollenqualität auf und erklärt bis zu 17 % der Variation des Stärkegehalts und 10 % der Variationen der Verarbeitungs-eigenschaften nach Kältelagerung. Basierend auf der Proteom-Analyse konnten deutliche Expressionsunterschiede auf Proteinebene zwischen guten und schlechten Verarbeitungssorten festgestellt werden. Für den putativen Invertase-Inhibitor konnten ebenfalls positiv assoziierte Allele identifiziert werden, die bis zu 10 % der phänotypischen Varianz der Stärkemenge erklären, hingegen auf die Verarbeitungseigenschaft keinen Einfluss haben. Eine funktionelle Analyse zeigte zwar eine auf das Knollengewebe begrenzte Expression, heterolog exprimiertes Protein führte jedoch zu keiner Inhibierung der Invertase. Obgleich die natürlichen Varianten der Kandidatengene deutliche Assoziationen mit Stärkegehalt und Verarbeitungsmerkmalen aufweisen, bleibt ihre genaue funktionelle Rolle noch zu klären. Der Ansatz, verschiedenste Kandidatengene zu analysieren ist eine bedeutende Methode, um eine Vielfalt an diagnostischen Markern zu erhalten, die die Marker-gestützte Selektion in Kreuzungspopulationen künftig vereinfachen und somit die Zuchteffizienz signifikant steigern können.

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