Differentielle Genexpression in Roggen, Weizen und Gerste während der Kälteakklimatisierung und ihr Bezug zur Frosttoleranz

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die differentielle Genexpression während der Kälteakklimatisierung von Gerste (Hordeum vulgare L.),Weizen (Triticum aestivum L.) und Roggen (Secale cereale L.). Umfassende Genregulationen während der Kälteakklimatisierung sind notwendig, damit temperente Pflanzen ihre maximal erreichbare Frosttoleranz ausbilden können. Dabei stellt Roggen u.a. aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegen widrige Umwelteinflüsse eine Modellspezies für abiotischen Stress dar. Auf Basis eines Gersten cDNA-Makroarrays wurde eine vergleichende Transkriptomanalyse von sechsWintergenotypen – mit unterschiedlicher Frosttoleranz pro Spezies – an vier Zeitpunkten durchgeführt. Dabei wurden Faktoren gefunden, die möglicherweise die Ausprägung des Merkmals Frosttoleranz beeinflussen können. Der erste Teil der Dissertation untersucht die Datenqualität mit dem Schwerpunkt auf Verifzierung der Makroarray-Resultate durch quantitative „Real-Time“ Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR). Basierend auf der Auswahl der Ergebnisse aus den homologen und heterologen Hybridisierungsresultaten, zeigte sich in beiden Fällen eine robuste Verifizierung der differentiellen Genexpression. Die phänotypische Korrelation bei Hordeum vulgare, die auf den Expressionswerten der Arrayresultate basieren, konnte mit den Expressionsdaten mehrerer Gene mittels qRT-PCR bestätigt werden. Unter den Kandidatengenen sind bereits eingängig charakterisierte Gene wie Dehydrine, Saccharose-Synthasen, Superoxid-Dismutasen oder Transportermoleküle. Eine Transkriptomanalyse während der Kälteakklimatisierung zeigt eine konservierte Induktion der Transkription von Genen im Kohlenhydrat-, Stress- oder Redox-Metabolismus. Eine Repression wird hingegen bei der Photosynthese und beim Zellwand-, Lipid- oder DNA-Metabolismus erfasst. Dabei zeigen sich speziesspezifische Genregulationen, die im Zusammenhang mit der differentiellen Frosttoleranz der Triticeae diskutiert werden. Am deutlichsten drückt sich dieses in der Expression von LEA-Proteinen (late embryogenesis abundant) aus. Ein Unterschied zwischen den Arten besteht in der Regulation verschiedener Mitglieder von Genfamilien z.B. bei Saccharose-Synthasen, Ca-bindenden oder WCOR410-Proteinen. Mindestens 12 unbekannte Transkripte konnten identifiziert werden, die in allen untersuchten Genotypen induziert wurden und interessante Kandidaten für weitere Untersuchungen darstellen. Die Transkriptomanalyse ist auch als eine Ressource für das kälteregulierte Genom der Triticeae gedacht.