Identifizierung von genetischen und phänotypischen Merkmalen in dem Wurzelsystem trockentoleranter Sommergerste (Hordeum vulgare)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Teilprojektes „Identifizierung von genetischen und phänotypischen Merkmalen in Wurzelsystemen trockenstresstoleranter Sommergerste“ war die Identifizierung von Genen, die für die Wurzelentwicklung verantwortlich sind. Hierfür war es zunächst wichtig, relevante Wurzelwachstums-Parameter zu identifizieren. Weiterhin sollten molekulare Mechanismen für die Trockenstress-Toleranz von Sommergersten-Wurzeln beschrieben werden. In mehrjährigen Feldversuchen wurden die Wurzelsysteme von 192 Genotypen aus der Barley Core Collection architektonisch und anatomisch unter Kontroll- und Trockenstressbedingungen untersucht. Für die Beschreibung der Wurzelsysteme wurden 18 Parameter (6 architektonische, 12 anatomische) herangezogen, die anschließend in einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) genutzt wurden. Für diese GWAS standen 15.303 SNP/GbS Marker zur Verfügung. Es konnten 87 SNP/GBS Marker identifiziert werden, die eine anatomische Reaktion der Wurzel auf den Trockenstress aufzeigen. Darüber hinaus wurden 8 SNP/GbS Marker gefunden, die in diesem Zusammenhang mit der Bildung und Entwicklung der Wurzeln assoziiert waren. Sie wurden auf den Chromosomen 3H, 4H, 5H, 6H und 7H lokalisiert und konnten die genotypische Varianz zu 0,5 bis 5,9% erklären. Insgesamt 75 SNP/GbS, die in dieser Studie detektiert wurden, befinden sich auf der physikalischen Genkarte in Regionen von bereits bekannten Kandidaten-Genen. Diese Gene regulieren bzw. sind involviert in essentielle zelluläre Funktionen der Pflanzen hinsichtlich ihrer Trockenstress-Toleranz, wie z.B.: Antiporter (Membrantransport), Wurzel-Auxin Transport, ABA-, Stress-Signalisierung, Calcium Sensor, Differenzierung der Schließzellen, Stomata–Regulierung und Transmembranrezeptoren. Die identifizierten Genorte für quantitative Merkmale (QTL) sind gute Kandidaten um Wurzelentwicklung in Gerste zu verbessern. Durch eine Validierung und Charakterisierung dieser QTL wird das aktuelle Wissen im Bereich der Wurzelzüchtung erweitert und dient der weiteren Entwicklung von trockenstresstoleranter Gerste. Die QTL können in der praktischen Gerstenzüchtung für eine Marker gestützte Selektion auf Trockenstresstoleranz genutzt werden. Zu Beginn der Projektbearbeitung wurde eine neue Phänotypisierungsmethode, genannt „Shovelomics“, von Wissenschaftlern der PennState University, State College, USA publiziert. Durch eine Zusammenarbeit mit diesen Wissenschaftlern und Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich konnten wir eine Untersuchung von Wurzelsystemen, angebaut unter Feldbedingungen, realisieren. Unsere Untersuchungen und Ergebnisse waren somit realitätsnäher als bei einer Bearbeitung der Projektinhalte mittels Rhizotron-Versuchen. Des Weiteren wurde während der Versuchsdurchführungen ein zuvor kaum untersuchtes Wurzelmerkmal – "arretierte" Nodalwurzeln – erkannt und erfasst.
