Dosage of duplicated and antifunctionalized homeobox proteins influences leaf and spikelet development in barley (Hordeum vulgare L.)

Abstract

Gerste (Hordeum vulgare L.) ist, gemäß der Fertilität der lateralen Ährchen, unterteilt in zwei-zeilige und sechs-zeilige Kultivare. Der Homöobox-Transkriptionsfaktor VRS1/HvHOX1 (SIX ROWED SPIKE 1) wurde als negativer Regulator der lateralen Ährchenentwicklung beschrieben. Das Paralog HvHOX2 stellt möglicherweise einen positiven Regulator der Entwicklung in Gerste dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Beteiligung von HvHOX1 an dem verzögerten Wachstum der lateralen Ährchenprimordien und dem Einfluß auf die Enwicklung der männlichen und weiblichen Reproduktionsorgane. Überdies hinaus wird der Einfluß von HvHOX1 auf die Größe der Blattprimordien, sowie der Blattbreite und Blattaderanzahl im Vergleich zwischen zweizeiligen und sechszeiligen Kultivaren beschrieben. Eine Transkriptomanalyse während der frühen Blattentwicklung deutet darauf hin, das HvHOX1 eine Inhibitorfunktion während der Zellproliferation zukommt. Für HvHOX2 ergeben sich Hinweise auf eine gegensätzlich Rolle: als positiver Regulator der Ährchenentwicklung. Weiterhin konnte eine funktionale Analyse beider Proteine zeigen, das alle Eigenschaften der HD-ZIP (Homeodomänen-leucin-zipper) Transkriptionsfaktor Klasse I nachweisbar waren. Das Expressionsmuster und die nachgewiesene Funktionalität von HvHOX1 und HvHOX2 legen nah, dass das Verhältnis dieser beiden Faktoren, reguliert über die Transkription und eine Antifunktionalisierung von HvHOX1 einen Einfluß auf die Blatt und Ährchenentwicklung in der Gerste hat.

Barley (Hordeum vulgare L.) is classified as two- and six-rowed types based on the fertility of lateral spikelets. It was found that VRS1/HvHOX1 (SIX ROWED SPIKE 1), acts as a negative regulator of lateral spikelet development and its paralogue HvHOX2 might be a positive regulator of development in barley. This study addresses that HvHOX1 is involved in the delay of lateral spikelet primordia growth and affects the growth of male and female reproductive organs in lateral spikelets. Additionally, HvHOX1 influences leaf primordium width and causes narrow leaves with less longitudinal veins in two-rowed barley. Transcriptome analysis of early leaf development suggested that HvHOX1 might be an inhibitor of cell proliferation. Conversely, HvHOX2 found to be a positive regulator of spikelet development. Furthermore, both the proteins retain their HD-ZIP (Homeodomain leucine zipper) class I functional properties. The expression profile and functionalities of HvHOX1 and HvHOX2 implies that their dosage of expression and antifunctionalization influences leaf and spikelet development in barley.