Study of the metabolism during microspore embryogenesis in wheat DH lines using -omics approaches

Abstract

Mikrosporen-Embryogenese ist ein Prozess, der durch einen Wechsel in der Entwicklung der Mikrosporen vom gametophytischen zum sporophytischen Weg definiert wird. Der Prozess wird durch die Applikation einer Stressvorbehandlung induziert. Das Endergebnis nach der Chromosomenverdopplung ist eine diploide Pflanze. In dieser Arbeit wurden die Stoffwechselwege bestimmt, die die frühen Stadien der Mikrosporenembryogenese in Brotweizen definieren. Der Prozess wurde vor und nach die Applikation der Stressvorbehandlung und nach der ersten Kernteilung untersucht. Darüber hinaus wurde die molekulare Basis für die erfolgreiche Regeneration grüner Pflanzen nach der Mikrosporen-Embryogenese identifiziert. Stärkemetabolismus und Tricarbonsäurezyklus wurden als Schlüsselwege während der Kaltstressvorbehandlung und der Aminosäuremetabolismus nach der ersten Kernteilung aufgezeigt. Die Stoffwechselanalyse zwischen Mikrosporen von Doppelhaploiden-Linien, die sich in der Regenerationsrate von grünen Pflanen unterschieden, ergab ähnliche Profile, jedoch unterschiedliche Konzentrationen. Die Prädiktion der Regenerationsrate von grünen Pflanzen war möglich, indem mit wenigen Metaboliten ein mathematisches Modell erstellt wurde.

Microspore embryogenesis is a process defined by a switch in the microspore development from the gametophytic to the sporophytic pathway. The process is triggered by the application of a stress pretreatment. The final result, after chromosome doubling, is a doubled haploid plant. In this thesis the metabolic pathways that define the early stages of microspore embryogenesis in bread wheat were determined. The process was studied before and after the application of the stress pretreatment, and after the first nuclear division. Additionally, the molecular basis from which a successful green plant regeneration after microspore embryogenesis was identified. Starch metabolism and tricarboxylic acid cycle were revealed as key pathways during the cold stress pretreatment, and amino acid metabolism after the first nuclear division. The metabolic analysis between microspores of doubled haploid lines differing in their green plant regeneration rate revealed similar profiles, but different concentrations. Prediction of the green plant regeneration rate was possible by using few metabolites to build a mathematical model.