Genotyp-abhängige Transkriptomregulation während der Ausprägung von Heterosis in der frühen Phase der Lateralwurzelinitiierung

• Antragsteller: Professor Dr. Peng Yu
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie ; Genetik und Genomik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397753445

Heterosis bezeichnet das Phänomen, durch das heterozygote F1-Hybridnachkommen den genetisch unterschiedlichen homozygoten Elternlinien überlegen sind. Das Verständnis der molekularen und genetischen Grundlagen von Heterosis ist ein Schlüssel zur globalen Ernährungssicherung, da fast alle kommerziell angebauten Maissorten Hybride sind. In Mais zeigt das Merkmal Lateralwurzeldichte den höchsten Grad an Heterosis während der frühen Wurzelentwicklung. Hochverzweigte Lateralwurzeln sind entscheidend für die Verankerung der Pflanze im Boden, die optimale Aufnahme von Wasser und Nährstoffen und deren Verteilung in die energieliefernden oberirdischen Teile der Pflanze. Lateralwurzeln werden aus einem speziellen Zelltyp im inneren der Hauptwurzel, den Phloempolperizykelzellen, gebildet.Das Ziel dieses Antrags ist es, ein umfassendes Verständnis der molekularen und genetischen Mechanismen zu erhalten, die bei der Ausbildung der Heterosis während der Lateralwurzelinitiation in Wurzelsystemen eine Rolle spielen.In Vorarbeiten haben wir 160 rekombinante Inzuchtlinien, die aus vier Kreuzungen der Inzuchtlinien B73 und Mo17 und sieben darauffolgenden Selbstungszyklen entstanden sind (IBM RIL syn4), auf Ihre Lateralwurzeldichte untersucht. Aus diesen IBM RILs haben wir drei Linien mit hoher und drei Linien mit geringer Lateralwurzeldichte ausgewählt, in ihre elterlichen Linien zurückgekreuzt und dadurch partiell heterozygote F1-Hybride erzeugt. Die rekombinanten Inzuchtlinien mit gegensätzlicher Lateralwurzeldichte und ihre Hybride sollen in dieser Studie untersucht werden. Zunächst sollen detaillierte histologische und zytologische Experimente die zellulären Unterschiede zwischen Inzuchtlinien und ihren Hybriden im basalen Meristem durch Licht- und Transmissionsmikroskopie bestimmt werden. Parallel dazu sollen die Auxin-Maxima und der DNA Gehalt des basalen Meristems im Kontext der Auxin-abhängigen Zellteilung bestimmt werden.Basierend darauf werden die Transkriptome von Phloempolperizykelzellen aus dem basalen Meristem dieser rekombinanten Inzuchtlinien und ihrer Hybride mit Hilfe von „laser capture microdissection“ in Kombination mit RNA-Seq untersucht. Die Identifizierung von „single parent”-, nicht-additiven- und allel-spezifischen Genexpressionsmustern ermöglicht die Untersuchung der phylogenetischen und funktionellen Basis der Heterosis während der Lateralwurzelinitiation. Weiterhin werden stark verknüpfte Coexpressionsmodule und zentrale regulatorische Gene mit Hilfe des Netzwerkanalyseprogramms WGCNA identifiziert. RNA in situ Hybridisierungsexperimente werden weitere Informationen zu ausgewählten regulatorischen Genen liefern, die eine Rolle bei der Ausprägung der Heterosis in der Lateralwurzelentwicklung spielen. Um diese Ergebnisse zu untermauern, werden Expressionsmuster dieser ausgewählten Gene auch in anderen heterotischen Gruppen untersucht werden. Mutantenanalysen solcher Gene werden diese Studie in der zweiten Förderperiode abrunden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen