Molecular analysis and visualisation of adventitious root formation in rose (Rosa L.)

verfasst von

David Wamhoff

betreut von

Traud Winkelmann

Abstract

Die Rose (Rosa L.) ist eine der wichtigsten Zierpflanzen und von großer Bedeutung für die Marktsegmente Schnittblumen, Garten- und Topfpflanzen. Aufgrund ausgeprägter Heterozygotie müssen Rosen für eine sortenechte Vermehrung vegetativ vermehrt werden. Die meisten Schnitt- und Gartenrosensorten werden derzeit noch xenove-getativ vermehrt, was sehr zeit- und kostenintensiv ist. Daher ist die Vermehrung durch Stecklinge von zunehmen-dem Interesse. Die dafür erforderliche Bildung von Adventivwurzeln („adventitious roots“ = ARs) ist jedoch ein kom-plexes, mehrphasiges und hochgradig quantitativ vererbtes Merkmal. Rosen weisen große genotypische Unter-schiede für dieses Merkmal auf und einige Genotypen bewurzeln gar nicht. Die Faktoren, die die Bildung von ARs limitieren, sind aufgrund der Komplexität des Prozesses, insbesondere in den frühen Entwicklungsstadien schwer zu identifizieren. Ein besseres Verständnis der Regulation der Bildung von ARs auf molekularer Ebene und Einblicke in die phänotypischen Merkmale in den verschiedenen Entwicklungsstadien sind daher wünschenswert. Ziele dieser Arbeit waren, ein besseres Verständnis der genetischen Kontrolle des quantitativen Merkmals der AR-Bildung bei Rosen zu erlangen und potentielle Limitationen zu identifizieren. Um die genetische Regulation zu charakterisieren, wurden bestehende genomweite Assoziationsstudien (GWAS) zur AR-Bildung in einer Population von 96 Gartenrosen weiterverfolgt. Dabei wurden eine größere Anzahl Genotypen und Stecklinge je Genotyp analy-siert, um die Aussagekraft der GWAS-Ergebnisse zu erhöhen. Genotypische Informationen in Form von Single Nucle-otide Polymorphismen (SNPs), ermittelt mit dem 68k WagRhSNP Axiom® SNP-Array, standen bereits für 96 Garten-rosen und 96 Schnittrosen zur Verfügung. Die Genotypen wurden auf ihre Bewurzelungsfähigkeit in vivo charakteri-siert. Die Versuche wurden 6 Wochen lang mit Stecklingen in einem hydroponischen Bewurzelungssystem unter Gewächshausbedingungen durchgeführt. GWAS zur Bewurzelung nach 6 Wochen, Wurzelanzahl und Wurzelfrisch-masse brachten keine signifikant assoziierten SNPs hervor. Allerdings zeigten mehrere SNPs starke Alleldosiseffekte für diese Merkmale. Von diesen lagen zehn SNPs in der kodierenden Region des Gens SUPRESSOR OF ACTIN 9 (SAC9). Dies ist ein erster direkter Hinweis, dass der Phosphoinositid (PI) Signalweg auch in der Regulation der Aus-bildung von ARs involviert sein kann. Für den SNP RhK5_69_1627P wurden allelspezifische PCR-Primer abgeleitet und in einer unabhängigen Gruppe selektierter, für den SNP homozygoter Genotypen verifiziert. Dieser allelspezifi-sche PCR-Marker kann somit zur Selektion zur Verbesserung der Adventivwurzelbildung in Rosenpopulationen an-gewendet werden. In weiteren GWAS-Analysen wurden frühe Ereignisse der AR-Bildung in vitro für 106 Rosen-Genotypen untersucht. Die Bildung von Wurzelprimordien („root primordia“ = RP), die Bewurzelung und anatomische Merkmale der Sprossbasis wurden korreliert. Signifikante Korrelationen zwischen mehreren Merkmalen der RP- und AR-Bildung mit der räumlichen Ausdehnung der Leitgefäße nach einwöchiger Bewurzelung wurden gefunden. Einige Genotypen bildeten eine hohe Anzahl RP nach einer Woche aus, wiesen jedoch geringe Bewurzelungsprozente nach 3 Wochen auf. GWAS-Analysen für Merkmale verschiedener Entwicklungsstadien zeigten einen höheren Beitrag genomischer Regionen zur phänotypischen Variation für Merkmale früherer Entwicklungsstadien. Insgesamt neun SNPs assoziier-ten signifikant mit verschiedenen, teils mehreren Merkmalen. Die Kombination von Daten zur frühen RP- und späte-ren AR-Bildung in Form eines Index ermöglichte es, genomische Regionen und Faktoren zu identifizieren, die mög-licherweise das Auswachsen von RP verhindern. Darüber hinaus zeigten zwei SNPs, die in Homologen von Genen liegen, welche am PI-Signalweg beteiligt sind, starke Alleldosiseffekte für Merkmale der RP/AR-Bildung. Die Visualisierung früher Stadien der AR-Bildung ist besonders für Genotypen mit geringer Bewurzelungsfähigkeit von Interesse. Aufgrund der Destruktivität der meisten Methoden waren Beobachtungen an identischen Explantaten über die Zeit bisher nicht möglich. Mittels Magnetresonanztomographie konnten mikrostrukturelle Veränderungen während der AR-Bildung bereits nach 3 Tagen an In-vitro-Stecklingen zerstörungsfrei visualisiert werden. Sowohl für den schwer zu bewurzelnden Genotyp ᶦMariatheresiaᶦ (MT) als auch den leicht zu bewurzelnden Genotyp ᶦHerzogin Friederikeᶦ (HF) wurde die Entwicklung zahlreicher RP in der Sprossbasis gezeigt. Auffällige Unterschiede im MRT-Signal im Sprosscortex initiierten weitere Untersuchungen zur biochemischen Zusammensetzung in dieser Region der Sprossbasis. Die ortsaufgelöste Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie zeigte Unterschiede in der Zell-wandzusammensetzung. Insbesondere die Absorptionswerte für Lignin und Hemicellulosen waren bei MT im Ver-gleich zu HF deutlich höher. Somit begrenzt nicht die RP-Entwicklung die Bewurzelung bei MT, sondern das Aus-wachsen von RP war wahrscheinlich durch die veränderte Zellwandzusammensetzung in bestimmten Regionen der Sprossbasis behindert. Zusammenfassend trug diese Studie durch die genetische Analyse mittels GWAS zu einem besseren Verständnis und zur Verbesserung der AR-Bildung bei Rosen in Zuchtprogrammen bei und lieferte erstmals Hinweise auf eine mögliche Rolle des PI-Signalweges in der AR-Bildung. Darüber hinaus ermöglichte die Kombination moderner bild-gebender Verfahren die zerstörungsfreie Identifizierung anatomischer und biochemischer Faktoren, die zur Limita-tion der AR-Bildung beitragen können und das insbesondere in den frühen Stadien.

Organisationseinheit(en)

Abteilung Reproduktion und Entwicklung

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

168

Publikationsdatum

10.09.2024

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/17972 (Zugang: Offen)