Dokument: Untersuchungen der Interaktion von Stickstoffnutzeffizienz und Wurzelarchitektur bei Mais
| Titel: | Untersuchungen der Interaktion von Stickstoffnutzeffizienz und Wurzelarchitektur bei Mais | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=43322 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20170908-083725-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Wever, Christian [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Maria von Korff Schmising [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Ein essentielles Zuchtziel des 21. Jahrhunderts bei Mais und anderen Feldfrüchten ist eine Verbesserung der Stickstoffnutzeffizienz. Um dieses Zuchtziel zu erreichen, ist es wichtig, die an der Stickstoffnutzeffizienz beteiligten Genomabschnitte zu identifizieren und die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Die Analyse der hinsichtlich der Kornertragsdaten unterschiedlich stickstoffeffizienten Maislinien SL und TH hatte zum Ziel, die genetischen Gründe für die bessere Ertragsleistung der Linie SL bei niedriger Nitratzufuhr weiter aufzuklären.
Durch die genetische Analyse der Wurzelarchitektur sollte geklärt werden, ob die erhöhte Stickstoffnutzeffizienz auf Unterschiede zwischen den Wurzelsystemen zurückzuführen war und diese mit den zuvor berechneten, nur bei wenig Nitrat wirksamen Kornertrags-QTLs 8 und 10 korrelierten. Für den QTL 8 konnte der vermutete Zusammenhang zwischen mehr und längeren Lateralwurzeln und erhöhtem Ertrag mit dem vorhandenen NIL-Material nicht bestätigt werden, wohl aber die unterschiedliche Reaktion der Eltern auf Nitrat im Nährmedium. Die Stickstoff effizient nutzendere Linie SL zeigte in Bezug auf ihre Primärwurzel konstant einen höheren Anteil von Lateralwurzeln unabhängig von der Nitratzufuhr. Die Linie TH bildete nur bei hohen äußeren Nitratkonzentrationen längere Lateralwurzeln an ihrer Primärwurzel aus. Für den Kornertrags-QTL 10 konnte ein Phänotyp entdeckt werden, der bei SL und NILs mit den entsprechenden Introgressionen auf Chromosom 10 im Gewächshausversuch für flachere Kronwurzelaustrittswinkel sorgt. Dieser Phänotyp konnte auch im Rahmen von Feldversuchen bestätigt werden und zeigte sich unabhängig von der Nitratzufuhr. Eine Feinkartierung der flacheren Kronwurzelaustrittswinkel lokalisierte zwei Genregionen auf Chromosom 10, welche für die flacheren Austrittswinkel verantwortlich zu sein scheinen. Eine der beiden Genregionen deckt sich mit der Lage des Ertrags-QTLs und könnte deshalb höhere Erträge auch bei niedriger Nitratzufuhr auf dem Feld bewirken. Es liegt die Vermutung nahe, dass die flacheren Kronwurzelaustrittswinkel für eine verbesserte Wurzelarchitektur zur effektiveren Erschließung des Bodens sorgen. Physiologische Untersuchungen ergaben für die Linie SL einen tendenziell höheren Gesamtstickstoffgehalt in Spross und Wurzeln. Durch die bessere und schnellere Entwicklung im Sämlingsalter bescheinigte die Berechnung des Stickstoffnutzindex aber für die Linie TH die bessere Nutzung von Stickstoff pro Gramm aufgebautes Gewebe. Mit Hilfe der Messung der elektrischen Kapazität der Wurzelsysteme der untersuchten Maislinien konnte die erwartete klare Korrelation von Wurzeloberfläche und elektrischer Kapazität verifiziert werden. Gleichzeitig wurde aber auch die schlechte Reproduzierbarkeit der Methode festgestellt sowie deren mangelnde Aussagekraft. Die genomweiten Studien der Gentranskription in der Wurzel zeigten für beide Linien eine Reaktion auf Nitrat. Diese Reaktion fiel bei der Linie TH insgesamt stärker, aber auch kurzfristiger aus. SL wies dagegen für Nitrat eine kurzfristig gesehen weniger starke, jedoch eher langfristige Reaktion der genetischen Regulation auf. Dies deckt sich mit den zuvor gemachten physiologischen Beobachtungen. Im direkten Vergleich konnte eine Vielzahl von bei TH und SL differentiell exprimierten Genen festgestellt werden. Die transkriptionelle Reaktion der beiden Linien auf Nitrat war allerdings laut Cluster-Analyse stets identisch, wenn auch auf unterschiedlichem Niveau. Eine Untersuchung potentieller Kandidatengene wies signifikante Unterschiede zwischen SL und TH für ROOTLESS CONCERNING CROWN AND SEMINAL ROOTS LIKE 1 (RTCL1) auf. Dieses auf Chromosom 9 liegende Gen zeigte, unabhängig von der Nitratzufuhr, für die Linie SL eine wesentlich höhere Transkription als für die Linie TH. Aufgrund der Tatsache, dass die Primärwurzeln von rtcl1-Pflanzen einen verminderten Gravitropismus aufweisen, wäre es sinnvoll, dieses Gen bei den Linien SL und TH weiter zu untersuchen. Vielleicht spielt RTCL1 ebenfalls eine Rolle bei dem Phänotyp der flacheren Kronwurzelaustrittswinkel, der für die Stickstoffeffizienz von SL anscheinend essentiell ist. Die erhöhten Transkriptpegel von RTCL1 könnten dann auch eine Folge eines Gens oder Genregulators der QTL 10-Region vom stickstoffnutzeffizienteren Elter SL sein.An essential aim of the plant breeding efforts in the 21st century are crop varieties with a higher nitrogen use efficiency, and that is especially important maize. The maize lines SL and TH show a different nitrogen use efficiency with respect to their grain yield. The objective was to find explanations for the higher grain yields of the line SL under low nitrogen-input conditions. Based on the genetic analysis of the root architecture of both lines it could be shown that the higher nitrogen use efficiency arose, at least partly, from differences between the root systems. Additionally, it was examined whether these differences in root architecture correlate with the grain yield QTLs 8 and 10 only being effective under low nitrate-input conditions. With regard to QTL 8 the expected relation between longer and more lateral roots resulting in the higher yield was not confirmed. However, the lines SL and TH showed a different reaction on nitrate: the nitrogen-use-efficient SL exhibited a higher percentage of lateral roots for total primary root length independently of outer nitrate concentrations. In contrast, the line TH developed longer lateral roots but only under high outer nitrate conditions. A new phenotype was found correlating with the region of the grain yield QTL 10 independently of outer nitrate concentrations. This phenotype causes shallower exit angles of crown roots in the Line SL and NILs carrying introgressions of QTL 10. The phenotype could be detected both in greenhouse and field trials. The fine mapping of this trait resulted in to regions on chromosome 10 which seem to be responsible for the shallower exit angles of crown roots. One of these regions overlaps with the region of the grain yield QTL 10, and thus, it may cause higher yields under low nitrogen conditions. Therefore, it can be assumed that the shallower exit angles of crown roots improve the root architecture under low nitrogen conditions so that the soil can be exploited more effectively. Physiological investigations have shown a higher nitrogen content in shoot and roots regarding the line SL. Due to faster development during the seedling stage in general the line TH exhibited an improved nitrogen usage index resulting in a better usage of nitrogen per gram plant tissue. Electrical root capacity measurements verified the presumed correlation of root surface and electrical capacity. Simultaneously, the poor reproducibility and validity of this method was pointed out. Genome-wide studies of gene transcripton in roots indicated a response to nitrate for both maize lines. The reaction of the line TH was stronger but more of a short-term character. SL showed a weaker, but longer lasting reaction of its genetic regulation. This confirms the previously made results. In direct comparison of both lines lots of differentially expressed genes were found. An analysis of potential candidate genes revealed significant difference between SL and TH with respect to ROOTLESS CONCERNING CROWN AND SEMINAL ROOTS LIKE 1 (RTCL1). This gene from chromosome 9 exhibited a higher nitrate-independent expression for the line SL. Primary roots of rtcl1-plants show a reduced gravitropism, so it makes sense to analyse this gene in SL and TH in more detail. Perhaps, RTCL1 even plays a role in forming shallower exit angles of crown roots of SL and is possibly essential for its higher nitrogen use efficiency. The increased transcript levels then could be a consequence of a gene or gene regulator located within the QTL 10 region of SL. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Botanik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 08.09.2017 | |||||||
| Dateien geändert am: | 08.09.2017 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 27.03.2017 | |||||||
| Datum der Promotion: | 31.05.2017 |
