Genetics of microspore embryogenesis and doubled haploid development in rapeseed (Brassica napus L.)
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens sollte das embryogene Potential von isolierten Mikrosporen von Raps, d.h. ihre Tendenz sich unter einer Stressbehandlung zu Embryonen statt Pollenkörnern zu entwickeln, auf genetischer wie auch auf Transkriptomebene genauer untersucht werden. Das Vorhaben basierte dabei auf den Ergebnissen einer ersten Projektphase in der 4 intervarietale Substitutionslinien (ISL) identifiziert worden waren, die gegenüber ihrem rekurrenten Elter ein stark erhöhtes embryogenes Potential aufweisen. In der neuen Projektphase sollten zum einen über eine Feinkartierung die genetischen Faktoren, die für das erhöhte embryogene Potential der Linien verantwortlich sind, genauer im Rapsgenom lokalisiert werden. Zum anderen sollten die molekularen Vorgänge auf Transkriptionsebene bei der Induktion der Embryogenese durch eine MACE-Analyse (Massive Analysis of cDNA Ends) untersucht werden. Für die Feinkartierung wurde zunächst aus Kreuzungen der 4 ISL mit ihrem rekurrenten Elter eine Population von 262 neuen ISL erstellt, die für die in den 4 ISL vorhandenen Donorsegmente spaltet. Eine genauere genetische Analyse eines ausgewählten Satzes der neuen ISL zeigte dann allerdings, dass es während der Herstellung der ISL bei ¾ der Linien zu homöologen Rekombinationen zwischen den Genomen von Raps gekommen war. Es ist zwar bekannt, dass im Rapsgenom homöologe Rekombinationen vorkommen können, die sehr hohe Frequenz war aber überraschend und unerwartet. Der Ansatz der Feinkartierung war damit hinfällig. Über eine intraspezifische Syntänieanalyse konnten dann zwei homöologe Regionen im Rapsgenom identifiziert werden, bei denen Donorsegmente nur in ISL mit signifikant erhöhtem embryogenen Potential vorlagen, die also an der genetischen Kontrolle dieses Merkmals beteiligt sein könnten. In diesen Regionen fanden sich 117 Gene, die Kopien in beiden Regionen aufweisen. Ausgehend von dem Gedanken, dass im polyploiden Rapsgenom mehrere Kopien des gleichen Gens ein Merkmal kontrollieren können, könnte sich unter den 117 Genen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit ein Gen befinden, das an der Kontrolle des embryogenen Potentials im Raps beteiligt ist. Für die Transkriptomanalyse wurden MACE-Analysen an isolierten Mikrosporen der 4 ISL und ihres rekurrenten Elters an 5 Zeitpunkten während der Behandlung zur Induktion einer Embryogenese durchgeführt. Je Linie und Zeitpunkt wurden zwischen 71 und 3.138 differentiell exprimierter Gene gefunden. Allerding zeigten sich weder bei einem direkten Vergleich der Muster differentiell exprimierter Gene noch in einer ‚Gene Ontology Enrichment‘ Analyse klare Übereistimmungen zwischen den 4 Linien. Rückschlüsse auf molekulare Vorgänge auf Transkriptomebene, die für das erhöhte embryogene Potential der 4 ISL verantwortlich sein könnten, waren daher nicht möglich. Bei der Analyse der 117 Gene aus der intraspezifischen Syntänieanalyse konnten drei Gene identifiziert werden, die auf Grund ihrer Expression in den 4 ISL als mögliche Kandidaten für ein Gen in Frage kommen, welches an der Kontrolle des embryogenen Potentials beteiligt ist. Bei einem der Gene handelt es sich um einen Transkriptionsfaktor, über dessen Funktion, bzw. der Funktion des homologen Gens in Arabidopsis, bisher allerdings nichts bekannt ist.
Publications
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(2015) Identification and genetic characterization by high-throughput SNP analysis of intervarietal substitution lines of rapeseed (Brassica napus L.) with enhanced embryogenic potential. Theor Appl Genet: 128:587-603
Ecke W, Kampouridis A, Ziese-Kubon K, Hirsch A-C
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(2016) Identification and evaluation of intervarietal substitution lines of rapeseed (Brassica napus L.) with donor segments affecting the diploidization rate of isolated microspores. Euphytica 209:181-198
Kampouridis A., Ziese-Kubon K., Nurhasanah, Ecke W.
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(2016) Identification and evaluation of Intervarietal Substitution Lines of rapeseed (Brassica napus L.) with donor segments affecting the direct embryo to plant conversion rate of microspore-derived embryos. Euphytica 211:215-229
Kampouridis A., Ziese-Kubon K., Nurhasanah, Ecke W.
