Beeinflussung des Ertragspotentials von Gerste und Weizen durch Modifikation ährenarchitektonischer Eigenschaften mittels Cas-Endonuklease-vermittelter Mutagenese

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Christian Wolfgang Hertig

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoctor rerum naturalium
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Jens Boch, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades15 Feb. 2023
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung des Genome Engineerings mittels RNA-vermittelter Cas9-Endonuklease in den Getreidearten Weizen und Gerste. Dieses neue Werkzeug der Pflanzenzüchtung ermöglicht, innerhalb eines kurzen Zeitraumes spezifische Veränderungen im Genom von Getreide zu induzieren und dadurch gezielt Merkmale der Pflanzen zu verändern. Hierfür wurden zu verändernde Zielmotive im Weizen-Gen Branched head (Bh)/ Wheat frizzy panicle (Wfzp) bzw. in den Gersten-Genen Squamosa-promotor binding protein-like 14 und 17 (Spl14/Spl17) ausgewählt und passende guide RNA(gRNA)/cas9-Konstrukte kloniert. Die Aktivität der gRNAs wurde in Epidermiszellen von Weizen bzw. Gerste und in Weizenprotoplasten untersucht. Die stabile Transformation erfolgte anhand unreifer Embryonen über ballistischen Gentransfer (Weizen) bzw. durch Agrobakterien-vermittelte Übertragung von T-DNA (Gerste). Die anschließend regenerierten Pflanzen wurden auf die Anwesenheit der T-DNA und induzierter Mutationen untersucht. Im Weizen wurden mutierte Regenerate durch Selbstungen, Kreuzungen und die Anwendung von Haploidentechnologie in nachfolgende Generationen überführt und eine Kollektion von Pflanzen mit verschieden mutierten Allelen einschließlich Kombinationen mutierter homoeologer Allele zusammengestellt. Resultierende Pflanzen mit ein oder zwei mutierten Bh/Wfzp-Homoeoallelen waren T-DNA-frei und zeigten phänotypische Veränderungen der Ährenarchitektur, der Korngröße, der Kornanzahl und zum Teil auch bezüglich der Wurzeln. Das Vorhandensein von drei mutierten Bh/Wfzp-Homoeoallelen führte zum Teil zu sehr drastischen Veränderungen der Ähren, welche überzählige Ährchen und auch Verzweigungen ausbildeten. Jedoch führten diese Mutationen zu einem hohen Verlust an Fertilität. Insgesamt konnte die Bedeutung des Transkriptionsfaktors BH/WFZP für die Entwicklung der Ähre und der Körner sowie für die Wurzeln weiter erschlossen werden. Die in Gerste induzierten Mutationen in Spl14 führten grundsätzlich zu einer verzögerten generativen Entwicklung und teilweise zur Reaktivierung der Ausbildung der lateralen Ährchen. Die Ähren waren zudem verkürzt und bildeten weniger Körner. Die erzeugten Mutationen in Spl17 beeinflussten nicht die generative Entwicklung, jedoch die Ährenlänge und Kornbildung. Pflanzen mit Doppelmutationen in Spl14 und Spl17 zeigten eine drastische Verschärfung des spl14-Phänotyps, wobei die generative Entwicklung so sehr gestört war, dass keine Ähren ausgebildet werden konnten. Dies legt den Schluss nahe, dass SPL14 eine zentrale Rolle für die frühe generative Entwicklung spielt und SPL17 dabei als Co-Faktor wirkt.

Zitieren

Beeinflussung des Ertragspotentials von Gerste und Weizen durch Modifikation ährenarchitektonischer Eigenschaften mittels Cas-Endonuklease-vermittelter Mutagenese. / Hertig, Christian Wolfgang.
Hannover, 2023. 217 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

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TY - BOOK

T1 - Beeinflussung des Ertragspotentials von Gerste und Weizen durch Modifikation ährenarchitektonischer Eigenschaften mittels Cas-Endonuklease-vermittelter Mutagenese

AU - Hertig, Christian Wolfgang

N1 - Dissertation

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung des Genome Engineerings mittels RNA-vermittelter Cas9-Endonuklease in den Getreidearten Weizen und Gerste. Dieses neue Werkzeug der Pflanzenzüchtung ermöglicht, innerhalb eines kurzen Zeitraumes spezifische Veränderungen im Genom von Getreide zu induzieren und dadurch gezielt Merkmale der Pflanzen zu verändern. Hierfür wurden zu verändernde Zielmotive im Weizen-Gen Branched head (Bh)/ Wheat frizzy panicle (Wfzp) bzw. in den Gersten-Genen Squamosa-promotor binding protein-like 14 und 17 (Spl14/Spl17) ausgewählt und passende guide RNA(gRNA)/cas9-Konstrukte kloniert. Die Aktivität der gRNAs wurde in Epidermiszellen von Weizen bzw. Gerste und in Weizenprotoplasten untersucht. Die stabile Transformation erfolgte anhand unreifer Embryonen über ballistischen Gentransfer (Weizen) bzw. durch Agrobakterien-vermittelte Übertragung von T-DNA (Gerste). Die anschließend regenerierten Pflanzen wurden auf die Anwesenheit der T-DNA und induzierter Mutationen untersucht. Im Weizen wurden mutierte Regenerate durch Selbstungen, Kreuzungen und die Anwendung von Haploidentechnologie in nachfolgende Generationen überführt und eine Kollektion von Pflanzen mit verschieden mutierten Allelen einschließlich Kombinationen mutierter homoeologer Allele zusammengestellt. Resultierende Pflanzen mit ein oder zwei mutierten Bh/Wfzp-Homoeoallelen waren T-DNA-frei und zeigten phänotypische Veränderungen der Ährenarchitektur, der Korngröße, der Kornanzahl und zum Teil auch bezüglich der Wurzeln. Das Vorhandensein von drei mutierten Bh/Wfzp-Homoeoallelen führte zum Teil zu sehr drastischen Veränderungen der Ähren, welche überzählige Ährchen und auch Verzweigungen ausbildeten. Jedoch führten diese Mutationen zu einem hohen Verlust an Fertilität. Insgesamt konnte die Bedeutung des Transkriptionsfaktors BH/WFZP für die Entwicklung der Ähre und der Körner sowie für die Wurzeln weiter erschlossen werden. Die in Gerste induzierten Mutationen in Spl14 führten grundsätzlich zu einer verzögerten generativen Entwicklung und teilweise zur Reaktivierung der Ausbildung der lateralen Ährchen. Die Ähren waren zudem verkürzt und bildeten weniger Körner. Die erzeugten Mutationen in Spl17 beeinflussten nicht die generative Entwicklung, jedoch die Ährenlänge und Kornbildung. Pflanzen mit Doppelmutationen in Spl14 und Spl17 zeigten eine drastische Verschärfung des spl14-Phänotyps, wobei die generative Entwicklung so sehr gestört war, dass keine Ähren ausgebildet werden konnten. Dies legt den Schluss nahe, dass SPL14 eine zentrale Rolle für die frühe generative Entwicklung spielt und SPL17 dabei als Co-Faktor wirkt.

AB - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung des Genome Engineerings mittels RNA-vermittelter Cas9-Endonuklease in den Getreidearten Weizen und Gerste. Dieses neue Werkzeug der Pflanzenzüchtung ermöglicht, innerhalb eines kurzen Zeitraumes spezifische Veränderungen im Genom von Getreide zu induzieren und dadurch gezielt Merkmale der Pflanzen zu verändern. Hierfür wurden zu verändernde Zielmotive im Weizen-Gen Branched head (Bh)/ Wheat frizzy panicle (Wfzp) bzw. in den Gersten-Genen Squamosa-promotor binding protein-like 14 und 17 (Spl14/Spl17) ausgewählt und passende guide RNA(gRNA)/cas9-Konstrukte kloniert. Die Aktivität der gRNAs wurde in Epidermiszellen von Weizen bzw. Gerste und in Weizenprotoplasten untersucht. Die stabile Transformation erfolgte anhand unreifer Embryonen über ballistischen Gentransfer (Weizen) bzw. durch Agrobakterien-vermittelte Übertragung von T-DNA (Gerste). Die anschließend regenerierten Pflanzen wurden auf die Anwesenheit der T-DNA und induzierter Mutationen untersucht. Im Weizen wurden mutierte Regenerate durch Selbstungen, Kreuzungen und die Anwendung von Haploidentechnologie in nachfolgende Generationen überführt und eine Kollektion von Pflanzen mit verschieden mutierten Allelen einschließlich Kombinationen mutierter homoeologer Allele zusammengestellt. Resultierende Pflanzen mit ein oder zwei mutierten Bh/Wfzp-Homoeoallelen waren T-DNA-frei und zeigten phänotypische Veränderungen der Ährenarchitektur, der Korngröße, der Kornanzahl und zum Teil auch bezüglich der Wurzeln. Das Vorhandensein von drei mutierten Bh/Wfzp-Homoeoallelen führte zum Teil zu sehr drastischen Veränderungen der Ähren, welche überzählige Ährchen und auch Verzweigungen ausbildeten. Jedoch führten diese Mutationen zu einem hohen Verlust an Fertilität. Insgesamt konnte die Bedeutung des Transkriptionsfaktors BH/WFZP für die Entwicklung der Ähre und der Körner sowie für die Wurzeln weiter erschlossen werden. Die in Gerste induzierten Mutationen in Spl14 führten grundsätzlich zu einer verzögerten generativen Entwicklung und teilweise zur Reaktivierung der Ausbildung der lateralen Ährchen. Die Ähren waren zudem verkürzt und bildeten weniger Körner. Die erzeugten Mutationen in Spl17 beeinflussten nicht die generative Entwicklung, jedoch die Ährenlänge und Kornbildung. Pflanzen mit Doppelmutationen in Spl14 und Spl17 zeigten eine drastische Verschärfung des spl14-Phänotyps, wobei die generative Entwicklung so sehr gestört war, dass keine Ähren ausgebildet werden konnten. Dies legt den Schluss nahe, dass SPL14 eine zentrale Rolle für die frühe generative Entwicklung spielt und SPL17 dabei als Co-Faktor wirkt.

U2 - 10.15488/13269

DO - 10.15488/13269

M3 - Dissertation

CY - Hannover

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