The identification of genetic variation for gibberellin biosynthesis and signalling among Arabidopsis thaliana accessions

Barboza Barquero, Luis Orlando (2014). The identification of genetic variation for gibberellin biosynthesis and signalling among Arabidopsis thaliana accessions. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Änderungen im Pflanzenhormongehalt und in der Hormonsignalisierung könnten die Grundlage für die phänotypische Variationen in entwicklungs- und stress-bedingten Merkmalen innerhalb der gleichen, in der Natur vorkommenden, Species darstellen. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, das Verständnis der genetischen Grundlagen solcher Variationen zu erweiteren. Mithilfe von Komplementationstests und DNA-Squenzierungen wurden in der Natur vorkommenden Arabidopsis thaliana Halbzwerg-Ökotypen mit der ga5 Mutante verglichen. Wir konnten damit eine Vielzahl von unabhängig auftretenden Mutationen in dem GA20ox1 (GA5) Gen nachweisen. Diese Mutationen führen zu inaktiven Allelen in 17 verschiedenen Populationen aus verschiedenen Teilen der Welt. GA5 kodiert für eine GA 20-oxidase, ein Enzym, das an den letzten Schritten der Gibberellin (GA)-Biosynthese beteiligt ist. Gibberelline sind Pflanzenwachstumsregulatoren, die verschiedene Merkmale wie Samenkeimung, Blühzeitpunkt und Pflanzenhöhe beeinflussen. Eine Analyse der Populationsgenetik für das GA20ox1-Gen wurde in der weltweiten Kollektion von natürlichen Ökotypen und in speziellen Populationen mit vielen Halbzwergen durchgeführt. Diese Untersuchungen weisen auf eine örtliche Selektion hin. Bei den GA20ox1 Halbzwerg-Mutanten wurden keine offensichtlichen Nachteile der Pflanzen bezüglich ihrer Leistungs- und Überlebensfähigkeit festgestellt. Um zu testen, ob die Mutanten Wasserstress besser vertragen, wurden physiologische Experimente unter Wasserrückhaltebedingungen durchgeführt. Obwohl den Mutationen keine eindeutigen Effekte zugewiesen werden konnten, wurde eine Halbzwerg-Variante mit einem viel größeren Wurzelsystem identifiziert, der mit einer Wasserrückhaltetoleranz zu korrelieren scheint. Um das Auftreten der natürlichen Variation hinsichtlich der GA-Biosynthese und des GA-Signalwegs zu untersuchen, wurde eine QTL (engl. Quantitative Trait Loci)-Analyse und eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS, engl. Genome-wide association study) durchgeführt , um die Empfindlichkeit der Samenkeimung gegenüber dem Gibberellin-Biosynthese-Inhibitor Paclobutrazol (PAC) und gegenüber GA4+7 zu testen. Die QTL- und die GWAS-Analyse zeigten eine komplexe Regulierung der Effekte des Abbaus und Wiederaufbaus von GA. Ein Hauptlocus für die Empfindlichkeit gegenüber PAC wurde bestätigt und hinsichtlich seines Einfluses auf die Samenkeimung charakterisiert. Um unsere Studie auszudehnen, wurde eine `HyPer´genannte, halb-automatisierte Methode zur Quantifizierung des sktotomorphogenesen Hypokotyls entwickelt,. Diese Methode wurde für eine QTL-Kartierung der Hypokotyllänge und der Effekte von PAC und GA genutzt. Diese Experimente zeigten ERECTA als einen Locus, der mit der Empfindlichkeit gegenüber PAC zu tun hat. Anhand dieser Ergebnisse spielen Giberelline eine Rolle in der natürlichen Variation von Arabidopsis thaliana. Der Fund von GA5 als GA-“hotspot“ in dieser Arbeit zeigt, dass eine konvergente Entwicklung zwischen natürlich vorkommenden Halbzwergen und wilden, domestizierten Pflanzenspecies vorliegt.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Variations in plant hormone levels and hormone signalling might be a basis for the phenotypic variation in developmental and stress-related traits within the same species found in nature. Understanding the genetic basis for such a variation was the major objective of this thesis. As an example gene, GA5 was investigated. GA5 encodes a GA 20-oxidase, an enzyme involved in the last steps of bioactive gibberellin (GA) biosynthesis. GAs are plant growth regulators involved in different traits such as seed germination, flowering and plant height. To identify mutations in the GA20ox1 (GA5) gene, Arabidopsis thaliana natural semi-dwarf accessions and the ga5 mutant were investigated by allelism tests as well as by DNA sequencing. This approach led to the identification of a large number of independent mutations that were found to be responsible for inactive alleles in 17 different populations from various parts of the world. Population genetics was performed for the GA20ox1 gene in the world-wide collection of natural accessions and in specific populations with many semi-dwarfs that indicate local selection. No obvious trade-offs affecting plant performance were observed among the semi-dwarf accessions. To test if the semi-dwarf GA20ox1 mutants can withstand water stress better, physiological experiments were performed under water withholding conditions. Although no significant effects could be assigned to this mutation, one semi-dwarf genotype was identified with a much longer root system that seems to correlate with tolerance to water withholding. To further screen the natural variation of GA biosynthesis and GA signalling, Quantitative Trait Loci (QTL) analysis and Genome Wide Association Studies (GWAS) were performed. Using both strategies, the influence of the gibberellin biosynthesis inhibitor paclobutrazol (PAC) and of GA4+7 on seed germination was tested. The QTL and GWAS studies showed a complex regulation of the effects of GA depletion / restoration. A main locus for PAC sensitivity on chromosome 1 was validated and characterized for its effect on seed germination. To extend the study, a semi-automatic method named ‘HyPer’ was developed for the quantification of skotomorphogenic hypocotyls. This method was used to perform QTL mapping for hypocotyl length and the effects of application of PAC and GA on this trait. These experiments revealed ERECTA as a locus involved in PAC sensitivity. Based on these findings, GAs play a role in A. thaliana natural variation. The finding of GA5 as main GA hotspot in this study illustrates a case of convergent evolution between natural semi-dwarfs and wild domesticated plant species.

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