Identification of genes as molecular markers to understand and assess adaptation of Douglas-fir to drought stress and climatic change
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden Kandidatengene für die Anpassung unterschiedlicher Douglasienprovenienzen an Trockenstress identifiziert, indem Transkriptomanalysen, populationsgenetische Analysen sowie genomweite Assoziationsstudien durchgeführt wurden. Über die 454 Sequenzierung von Transkriptombibliotheken aus Nadel- und Holzgeweben von Jungpflanzen, die mit Trockenstress behandelt wurden, konnte ein Referenzset an Genen (Putative Unique Transcripts, PUTs) erstellt werden, welches als Referenz für die Kartierung der anderen Transkriptomstudien verwendet wurde. Von insgesamt 170.000 PUTs wurden etwa 1.000 Kandidatengene identifiziert, die aufgrund ihrer Expression und Annotation als Trockenstresskandidatengene klassifiziert wurden. Eine Validierung dieser Kandidatengene wurde über die tiefe Sequenzierung von Transkriptombibliotheken von unterschiedlich adaptierten erwachsenen Bäumen erzielt, die an verschiedenen Versuchsstandorten und zu mehreren Zeitpunkten im Jahreslauf beprobt wurden. Durch die Modellierung von Umwelt- und Versuchsparametern in einem gemischten linearen Modell konnte der Effekt von Umweltfaktoren auf die Genexpression modelliert und quantifiziert werden. Neben der Genexpressionsanalyse wurden auch genetische Polymorphismen für die Identifizierung von Kandidatengene für die Trockenstressanpassung identifiziert. Ausgehend von PUTs entwickelten wir einen Exome Capture Array, mit dem Kandidatengene von 72 Bäumen angereichert und sequenziert wurden. Die anschliessende populationsgenetische Analyse ergab eine klare Differenzierung zwischen den Küstendouglasien und der Inlandsdouglasienherkunft, die auf unterschiedliche genetische Adaptation hindeutet. Mittels Differenzierungsstatistiken und Selektionstests wie Fst wurden Kandidatengene identifiziert. Genomweite Assoziationsstudien mit phänotypischen Merkmalen wie der Konzentration von an der Photosynthese- und Photoprotektion beteiligten Molekülen und Metaboliten, baumkundliche Merkmale und stabile Isotope, die in von den erwachsenen Bäumen im Feldversuch gewonnen wurden aus den anderen Projekten des DougAdapt-Konsortiums führten zur Identifizierung von Genen, die signifikant mit diesen Merkmalen assoziiert sind. Ein letzter Schritt in der genetischen Analyse war die Herstellung von Phänotyp-Genotyp-Beziehungen mittels Transkriptomstudien mit Jungpflanzen. Zunächst wurde die Diversität molekularer Mechanismen der Trockenstressanpassung in verschiedenen Herkünften untersucht, indem Keimlinge und Jungpflanzen kontrolliertem Trockenstress ausgesetzt wurden und anschliessend Expressionsanalysen durchgeführt wurden, um die Reaktion auf den Trockenstress zu charakterisieren. Dabei wurde ein starker Effekt auf den Trockenstress beobachtet, der eine physiologische Anpassung wiederspiegelt, wobei aber bei den trockenstressangepassten Inlandsdouglasien die Expression von Trockentoleranzgenen konstitutiv im Verglich zu Küstendouglasien zu sein scheint. In der Zusammenfassung konnten wir einen Einblick in die physiologische und genetische Prozesse der Trockenstressanpassung bei der Douglasie gewinnen, die die Grundlage für weitere molekulare Untersuchungen sowie für die evolutionäre Geschichte der Trockenstressanpassung dienen können.
Publications
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(2011) Analysing the genetic basis of drought stress responses of Douglas-fir. EMBO Pratical Course Analysis of High- Throughput Sequencing data. EMBL-EBI, October 23-29 October 2011, Hinxton, UK
Wildhagen, H., Hess, M., Müller, T., Schmid, K., Ensminger ,I.
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(2011) Physiological performance reveals different responses to drought in Douglas-fir provenances adapted to contrasting environments. Annual Meeting of the American Society of Plant Biologist, August 6-10, 2011, Minneapolis, MN
Chang, C., Weisser, A., Wildhagen, H., Ensminger, I.
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(2011): Adaptation of Douglas-fir provenances to drought stress. In: Opportunities and risks for Douglas fir in a changing climate. (Eds.) Forstwissenschaftliche Fakultät der Universität Freiburg und Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden Württemberg, Freiburger Forstliche Forschung – Berichte, Freiburg, 85, 37-39.
Ensminger, I., Heß, M., Müller, T., Wildhagen, H., Schmid, K. J.
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(2012) A catalogue of putative unique transcripts from Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii) based on 454 transcriptome sequencing of genetically diverse, drought stressed seedlings. BMC Genomics 13: 673
Müller T, Ensminger I, Schmid K
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(2012) Assembly, annotation and SNP-detection using twelve Douglas-fir cDNA libraries. 4th COST-STATSEQ Workshop. April 18-19, 2012, Verona, Italy
Müller, T. and Ensminger, I., Schmid, K.
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(2012) Assembly, annotation and SNP-detection using twelve Douglas-fir cDNA libraries. SMBE Annual Meeting. June 23-26, 2012, Dublin, Ireland
Müller, T. and Ensminger, I., Schmid, K.
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(2012) Genetic and physiological characterization of Douglas-fir provenances exposed to drought stress. Colloquium of the Forest Research Institute Baden-Württemberg. January 10, 2012, Freiburg, Germany
Wildhagen, H., Hess, M., Müller, T., Chang, C., Schmid, K., Ensminger, I.
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(2012): Evaluation of deep mRNA-Sequencing for global gene expression profiling in field grown Douglas-fir trees. FESPB and EPSO joint Plant Biology Congress, July 29 – August 3, 2012, Freiburg, Germany
Hess, M., Wildhagen, H., Ensminger, I.
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(2012): Transcriptional profiling of drought stressed Douglas-fir provenances using mRNA-sequencing. FESPB and EPSO joint Plant Biology Congress, July 29 – August 3, 2012, Freiburg, Germany
Wildhagen, H., Hess, M., Ensminger, I.
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(2013) Detecting transcriptome responses to environmental stimuli in field-grown, adult conifer trees. CSPB / SCBV Eastern Regional Meeting 2013, December 6 and 7, 2013, Mississauga, ON, Canada
Hess M, Wildhagen H, Ensminger I
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(2013) Resequencing and Population Genetic Analysis of the Transcriptome in Differentially Adapted Douglas-Fir Populations. July 7 - 11, Annual SMBE conference, Chicago, USA
Müller T., Wildhagen H., Schmid, K.
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(2013) Robust transcriptome quantification in adult conifer needles using deep mRNA sequencing. IUFRO Tree Biotechnology Conference, May 26 – June 1, 2013, Ashville, NC, USA
Hess M, Wildhagen H, Mueller T, Schmid K, Ensminger I
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(2013). Suitability of Illumina deep mRNA sequencing for reliable gene expression profiling in a non-model conifer species (Pseudotsuga menziesii). Tree Genetics & Genomes, 9: 1513-1527
Hess M, Wildhagen H, Ensminger I
