Ectopic expression of a Vicia faba amino acid permease1 (VfAAP1) improves grain yield and stimulates seedling root growth in wheat (Triticum aestivum)

Abstract

Das Ertragspotenzial von Winterweizen kann möglicherweise durch Erhöhung der Aufnahmekapazität für Assimilate gesteigert werden. Der Aminosäuretransporter AAP1 aus Viciafaba ist Teil eines aktiven Transportsystems, das sich entwickelnde Samen mit Aminosäuren versorgt. Transgene Winterweizenlinien (XAP) wurden entwickelt, die VfAAP1 in der Sorte Certo unter Kontrolle des 1Ax1-Promotors aus Weizen exprimieren. Es wurden drei homozygote Linien hergestellt, die entweder eine (XAP:BB, XAP:CC) oder zwei Kopien des Transgens exprimieren (XAP:BBCC). Die XAP-Linien zeigten eine signifikante Erhöhung des Kornertrages, bedingt durch ein signifikant höheres Tausendkorngewicht. Der 1Ax1-Promotor hat die stärkste Aktivität im Endosperm, ist aber auch aktiv in den maternalen XAP-Korngeweben und in Keimlingswurzeln. Die Biomasse der XAP-Keimlingswurzeln ist höher als die von Certo, bedingt durch eine höhere Anzahl von etwas kürzeren Seminalwurzeln und eine Zunahme von Lateralwurzeln. Die Transkriptomanalyse von sich entwickelnden XAP-Körnern zeigte eine generelle Aktivierung von Transportprozessen im jungen Pericarp, und im Endosperm eine höhere Expression von Zellteilungs- und -streckungs-relevanten Genen während der Übergangsphase.

Improving assimilate uptake capacity of developing grains could be a promising approach to increase wheat yield potential. The Viciafabaamino acid permease 1 (VfAAP1) is part of an active transport system delivering amino acids to developing seeds. Transgenic winter wheat lines (XAP) were developed by expressing VfAAP1 in the variety Certo under control of the wheat 1Ax1 promoter. Three homozygous lines were generated carryingeither one (XAP: BB, XAP: CC)or two copies of the transgene (XAP: BBCC). Grain yield per plot was significantly increased in the XAP lines due to significant increment inthe thousand grain weight.The1Ax1 promoter has strongest activity in the developing endosperm butis also active in maternal XAP grain tissues at the pre-storage phase and in seedling roots. XAP seedlings show an increase in root biomass with higher number of slightly shorter seminal roots and higher number of lateral roots when compared to Certo. Transcript profiling of developing XAP grains shows general activation of transport processes in the young pericarp and upregulation of cell division- and elongation-related genes around the transition phase of the endosperm.