ABA-Immunmodulierung sich entwickelnder Gerstenkaryopsen

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Pflanzenhormons Abscisinsäure (ABA) auf die maternalen und filialen Gewebe der Gerstenkaryopse während der Kornentwicklung untersucht. Gerstenpflanzen wurden durch die Expression eines anti-ABA Einzelkettenantikörpers (scFv) samenspezifisch bzw. ubiquitär immunmoduliert. Alle immunmodulierten Gerstenlinien weisen einen stark erhöhten Gehalt an freier Abscisinsäure in sich einwickelnden und reifen Karyopsen auf. Während im Wildtyp die größte ABA-Akkumulation am 14. DAF stattfindet, steigt der ABA-Gehalt in den Karyopsen aller immunmodulierten Linien über den gesamten Entwicklungszeitraum hinweg kontinuierlich an. Der Ertrag und Speicherstoffgehalt der reifen Körner unterschied sich in immunmodulierten Linien bei nicht vom Wildtyp-Wert. Sich entwickelnde Karyopsen hingegen zeigen vielfältige Reaktionen auf die ABA-Immunmodulierung. In der filialen Gewebefraktion der immunmodulierten Karyopsen zeigen zahlreiche mit der Protein- und Stärkespeicherung assoziierte Gene eine im Vergleich zum Wildtyp hochregulierte Expression. Zusammen mit dem am 14. DAF signifikant erhöhten Saccharose/Hexose-Verhältnis und einem verringerten Gehalt vieler freier Aminosäuren deutet dies auf eine vorübergehend beschleunigte Entwicklung der filialen Gewebe hin. In der maternalen Fraktion weist die differentielle Expression zahlreicher Gene darauf hin, dass der hohe ABA-Gehalt während der späten Perikarpentwicklung zur Förderung von Prozessen führt, die in diesem Gewebe für ein jüngeres Stadium typisch sind. Die durchgeführte Microarray-Analyse der Genexpression liefert mehrere Hinweise darauf, dass eine Repression der ABA-Antwort während der späten Karyopsenentwicklung zur Normalisierung des Metabolismus und der Kornentwicklung führt. Damit deuten die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Daten auf eine große physiologische Plastizität sich entwickelnder Gerstenkaryopsen hin, welche die Adaptation von Stoffwechsel und Entwicklung an die unnatürlich hohen ABA-Gehalte ermöglicht.

In this work the influence of the plant hormone abscisic acid (ABA) on the maternal and filial tissues of barley grains was investigated during grain development. Therefor barley cv. ´Igri´ plants were immunomodulated either ubiquitously or grain specifically by the expression of an anti-ABA single chain variable fragment (scFv). All immunomodulated barley lines show a highly elevated level of free ABA in developing and ripe grains. While in wild type grains the highest ABA accumulation occurs at 14th DAF, the ABA content in caryopses of all immunomodulated lines increases continuously throughout the entire development. In ripe grains yield and storage product accumulation did not differ from wild type. Developing caryopses, however, show multiple reactions to the ABA-immunomodulation. In the filial tissue fraction numerous genes associated with storage protein and starch accumulation show a higher expression than in wild type. Together with a significantly higher sucrose/hexose ratio at 14th DAF and a lower concentration of many free amino acids these results indicate a temporary acceleration of development in the filial tissues. In the maternal fraction the differential expression of numerous genes indicates that the high ABA-level in the immunomodulated grains during late pericarp development leads to a promotion of processes, which are characteristic for a younger developmental stage of this tissue. The microarray analysis of gene expression suggests that a repression of the ABA response during late stages of grain development leads to a normalization of the metabolism and development of the caryopses. This work indicates that developing barley caryopses possess a high degree of physiological plasticity which allows the adaptation to unnaturally high ABA contents.