Kartierung quantitativer Loci der Frosttoleranz bei Arabidopsis thaliana (QTL Mapping), Identifizierung von Kandidatengenen durch Fein-Mapping und verifikation mittels Knock-out-Mutanten und transgener Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Identifikation genetischer Determinanten der Kältetoleranz in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurde eine Population von 396 rekombinanten Inzuchtlinien aus einer Kreuzung der unterschiedlich toleranten Akzessionen Te und C24 hergestellt und sowohl genotypisch wie phänotypisch charakterisiert. Auf der Grundlage einer genetischen Karte mit einer Markerdichte von etwa 5.5 cM wurden Genomregionen mit quantitativen Beiträgen zur Eigenschaft Kältetoleranz ("Quantitative trait loci, QTL") identifiziert. Drei Regionen auf den Chromosomen 2, 4 und 5 zeigten signifikante Beiträge zur Eigenschaft und konnten zusammen 42% der genetisch bedingten Varianz erklären. Innerhalb der Regionen befanden sich 1879 Gene, von denen 407 in den Elternlinien differentiell exprimiert wurden. Für 88 Gene konnte eine differentielle Kälteregulation nachgewiesen werden. Zu den differentiell regulierten Genen gehörten sechs Transkriptionsfaktoren. Bei einem dieser Transkriptionsfaktoren handelt es sich um das Produkt des Gens AT5G17300, von dem derzeit nur bekannt ist, dass es eine hohe Übereinstimmung mit dem CCA1 Gen besitzt. CCA1 ist eine Kernkomponente der circadianen Uhr und bildet zusammen mit LHY das repressive Element, das die Induktive Komonente TOC-1 repremiert. Zusammen mit PRR7 und PRR9 bilden CCA1 und LHY den sog. "Morning Loop", der einen repressiven Effekt auf die Entwicklung von Kältetoleranz ausübt. Wir konnten zeigen, dass auch AT5G17300 circadian reguliert ist mit einem Expressionsmaximum in den Morgenstunden. In der toleranten Akzession Te ist das Gen nach Akklimatisierung kaum noch circadian exprimiert, während dies in der sensitiven Akzession C24 der Fall ist. In knockout-Mutanten des Gens war die Kältetoleranz akklimatisierter Pflanzen erhöht. Damit ist es uns gelungen, AT5G17300 als negativen Regulator der Kälteakklimatisierung und wahrscheinliches Kandidatengen des QTL auf Chromosom 5 zu identifizieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2011). A systems biology approach to analyse carbohydrate dynamics during acclimation to low temperature in Arabidopsis thaliana. FEBS Journal 278, 506-518
Nägele T, Kandel B, Frana S, Meißner M, Heyer AG
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(2011). Evidence for a role of raffinose in stabilizing Photosystem II during freeze-thaw cycles. Planta
Knaupp M, Mishra KB, Nedbal L, Heyer AG
