Dokument: PHOTOPERIOD 1 (Ppd-H1) and VERNALIZATION 1 (HvVRN1) Interact to Control Reproductive Development under High Ambient Temperatures in Barley (Hordeum vulgare L.)

Titel:	PHOTOPERIOD 1 (Ppd-H1) and VERNALIZATION 1 (HvVRN1) Interact to Control Reproductive Development under High Ambient Temperatures in Barley (Hordeum vulgare L.)
Weiterer Titel:	PHOTOPERIOD 1 (Ppd-H1) und VERNALISIERUNG 1 (HvVRN1) Interaktion zur Steuerung der Fortpflanzungsentwicklung unter hohen Umgebungstemperaturen in Gerste (Hordeum vulgare L.)
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=48464
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190211-092857-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ejaz, Mahwish [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,06 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.02.2019 / geändert 04.02.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Korff Schmising, Maria von [Gutachter] Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Ein Anstieg der globalen Durchschnittstemperaturen und das Auftreten extremer Wetterereignisse bedrohen die Getreideerträge weltweit. Hohe Temperaturen während der reproduktiven Entwicklung beeinträchtigen die Ährenentwicklung und die Fruchtbarkeit der Blüte und sind daher eine der Hauptursachen für Ertragsverluste in den Getreidearten Gerste und Weizen. Derzeit sind Strategien zur Züchtung von Getreidesorten mit verbessertem Ertrag unter hohen Temperaturen begrenzt, aufgrund fehlender Kenntnisse über die genetischen Faktoren, die die Spross-und Ährenenentwicklung unter hohen Temperaturbedingungen steuern. In dieser Studie habe ich gezeigt, dass Gene der zirkadianen Uhr, der Photoperiode- und Vernalisationsstoffwechselwege die reproduktive Entwicklung und die Fruchtbarkeit der Blüten unter hohen Umgebungstemperaturen in Gerste kontrollieren. Eine natürliche Mutation im PHOTOPERIOD RESPONSE 1 Gen (Ppd-H1), die vor allem in Sommergerste vorkommt, verzögert die reproduktive Entwicklung und verringert die Zahl der Blüten und Körner pro Ähre unter hoher Temperatur. Im Gegensatz dazu führte das Wildtyp-Allel von Ppd-H1 oder ein nicht funktionsfähiges Allel von EARLY FLOWERING 3 (HvELF3), ein Repressor von Ppd-H1, zu einer beschleunigten reproduktiven Entwicklung und einer erhöhten Anzahl Körner pro Ähre unter hohen Temperaturen. Außerdem verzögerte hohe Temperatur die Phase und verringerte die Amplitude von Uhrgenen. Ppd-H1 und HvELF3 abhängige Unterschiede in der reproduktiven Entwicklung unter hohen Temperaturen korrelierten mit der Expression der Mads-Box-Gene HvVRN1, HvBM3 und HvBM8 in den Blättern. Ausserdem hatte regulatorische Variation im ersten Intron des wichtigsten Vernalisationsgens HvVRN1 einen Einfluss auf die reproduktive Entwicklung unter hohen Temperaturen. Hohe Temperaturen verzögerten die Ährchenbildung durch die Herunterregulierung des Winteralleles, nicht aber des Sommerallels von HvVRN1, auch nach der Vernalisierung. Darüber hinaus waren die Expressionslevels des FLOWERING LOCUS T1 Gens, welches maßgeblich an der Blütenbildung beteiligt ist, unter hoher Umgebungstemperatur unabhängig vom genetischen Hintergrund reduziert. Schliesslich zeige ich, dass Ppd-H1 genetisch mit HvVRN1 interagiert, wobei Ppd-H1 die Entwicklung nur im Hintergrund eines Sommer- HvVRN1, nicht aber eines Winter Hvvrn1 Allels beschleunigt. Meine Arbeit demonstriert deshalb, dass die Photoperiode- und Vernalisationsgene Signale der Umgebungstemperatur zur Feinabstimmung der reproduktiven Entwicklung in Gerste integrieren. An increase in global average temperature and the occurrence of extreme temperature events threaten crop productivity worldwide. High temperature during reproductive development impairs developmental timing, spike development and floret fertility and is therefore a major cause of yield losses in the temperate cereals barley and wheat. At present, strategies to breed cereal varieties with improved yield under high temperatures are limited due to a lack of knowledge on the genetic factors that control shoot and spike development under high temperature conditions. In this study, I have demonstrated that genes from the circadian clock, photoperiod and vernalization pathways control reproductive development and floral fertility in response to high ambient temperatures in barley. I have established that a natural mutation in the major photoperiod response gene, Ppd-H1, prevalent in spring barley slows down reproductive development and decreases the number of florets and seeds per spike under high ambient temperature. In contrast, the wild-type Ppd-H1 or a non-functional allele of EARLY FLOWERING 3 (HvELF3), which is an upstream regulator of Ppd-H1, accelerated the reproductive development and maintained high seed numbers per spike under high temperatures. Furthermore, high temperature delayed the phase and reduced the amplitude of clock genes. Ppd-H1 and HvELF3 dependent differences in reproductive development under high temperatures correlated with the expression levels of the BARLEY MADS-box genes HvVRN1, HvBM3 and HvBM8 in the leaves. Moreover, regulatory variation in the first intron of the major vernalization gene HvVRN1 also affected developmental timing under high temperatures. High temperatures strongly delayed spikelet initiation by downregulating the expression of the full-length winter allele Hvvrn1, but not the spring allele HvVRN1, even after vernalization. In addition, the transcript levels of FLOWERING LOCUS T1 (HvFT1), the major floral integrator gene, were reduced unter high ambient temperature independently of genetic variation at Ppd-H1 and HvVRN1. Lastly, I show that Ppd-H1 genetically interacts with regulatory variation at HvVRN1 where Ppd-H1 accelerates shoot apex development in the background of a spring HvVRN1 but not a winter Hvvrn1 allele. My work thus demonstrated that the photoperiodic and vernalization pathways integrate high temperature signals to fine-tune reproductive development in barley.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	11.02.2019
Dateien geändert am:	11.02.2019
Datum der Promotion:	20.07.2018