Exploiting natural variation to uncover genes modulating root foraging responses to low nitrogen in Arabidopsis thaliana

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen neuen, engen genetischen Zusammenhang zwischen wachstumsfördernden Pflanzenhormonen aus der Klasse der Brassinosteroide und Auxine mit dem Wurzellängenwachstum von Pflanzen unter Stickstoffmangel. Unter Einsatz genomweiter Assoziationskartierung und revers genetischen Methoden wurde entdeckt, dass die Gene DWARF1 (DWF1), BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE 3 (BSK3) und YUCCA8 (YUC8), die an der Biosynthese oder Signaltransduktion von Brassinosteroiden bzw. Auxinen beteiligt sind, das Ausmaß der Wurzelelongation bestimmen, wenn Wurzeln unter suboptimaler Stickstoffversorgung wachsen. Die Rolle allelischer Variation von BSK3, YUC8 und DWF1 in der Veränderung der Wurzelarchitektur wurde über transgene Komplementation mit natürlich vorkommenden Genvarianten oder über Überexpression bzw. RNAi-vermittelte Repression dieser Gene genauer beschrieben. Zusammen mit ihren allelischen Varianten repräsentieren die hier beschriebenen Gene vielversprechende Ziele für die Entwicklung von Sorten mit längeren Wurzelsystemen, die somit besser an Stickstoffmangel angepasst sind.

The present thesis uncovered a tight genetic coupling of two growth-promoting phytohormones, brassinosteroids and auxin, with root foraging under low nitrogen. By employing genome-wide association studies and reverse genetic approaches, the brassinosteroid biosynthesis gene DWARF1 (DWF1), the signaling component BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE 3 (BSK3) as well as the gene YUCCA8 (YUC8) involved in auxin biosynthesis were discovered to control the extent of root elongation when plants were grown under mild nitrogen deficiency. The roles of allelic variation in BSK3, YUC8 and DWF1 in modulating root architecture were further characterized by taking advantage of transgenic complementation with different natural protein variants or by altering transcription levels via RNA interference (RNAi) and overexpression. Together with their allelic variants, the genes identified here are promising targets for developing cultivars with longer root systems that are better adapted to low nitrogen conditions in soils.