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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-84298
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8429/


Genetische Modifikation von SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1), FRUITFULL (FUL) und weiterer Kandidatengene in Pappelhybriden (Populus spec.)

Genetic modification of SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1), FRUITFULL (FUL), and further candidate genes in poplar hybrids (Populus spec.)

Brügmann, Tobias

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SWD-Schlagwörter: Pappel , Weidengewächse , Genetik , Forstgenetik , Blüte , Biomasse , Nachwachsender Rohstoff , Energiewende , Biotechnologie , Überexpression , RNS-I
Basisklassifikation: 58.30 , 42.13 , 42.43
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Pflanzen (Botanik)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Fladung, Matthias (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.02.2017
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 24.03.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Nachwachsende Rohstoffe sind ein essentieller Bestandteil der Energiewende und bergen ein großes Potential für die Energiegewinnung. Der nachwachsende Energieträger „Biomasse“ kann unter anderem aus Pappeln gewonnen werden, die auf Kurzumtriebsplantagen angepflanzt werden. Das so produzierte Holz kann als Festbrennstoff genutzt oder nach technischen Optimierungen auch in biogene Flüssigkraftstoffe umgewandelt werden. Das Potential der für die Biomassegewinnung eingesetzten Pappelklone ist allerdings in Hinblick auf hohe Holzerträge bisher nicht ausgeschöpft. Durch gentechnische Ansätze sollte die Biomasseproduktion der Pappel beeinflusst und im Idealfall gesteigert werden. Da jedoch momentan ein kommerzieller Anbau von gentechnisch modifizierten Pappeln in Deutschland nicht möglich ist, liegt die Bedeutung der in dieser Arbeit erhaltenen Erkenntnisse in der Identifizierung von Kandidatengenen, die für eine beschleunigte, zielorientierte Pappelzüchtung Anwendung finden können.
Grundlage für die Auswahl der Kandidatengene war die Beobachtung von Melzer et al. (2008), dass die beiden Blütengene SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1) und FRUITFULL (FUL) bei parallelem Knockout in Arabidopsis sekundäres Dickenwachstum und Holzbildung auslösten. Neben diesen beiden Kandidatengenen wurden fünf weitere, nur teilweise annotierte Gene bearbeitet, die sowohl im sich entwickelnden Xylem als auch in den Blüten oder in den Wurzeln der Pappel exprimiert wurden. Diese Kandidatengene wurden durch Agrobacterium-vermittelte Transformationen in Pappelhybriden konstitutiv überexprimiert bzw. mittels RNA-Interferenz herunterreguliert. Die 40 erhaltenen transgenen Linien wurden molekulargenetisch und auf signifikant abweichende Phänotypen untersucht. Von ausgewählten Linien wurde zusätzlich die Holzzusammensetzung und anatomie analysiert.
Die Ergebnisse der fünf Xylem-exprimierten Kandidatengene waren inhomogen. Eine Veränderung des Phänotyps war nach Überexpression oder Herunterregulation des jeweiligen Kandidatengens nicht konsistent zu erzielen, dennoch wurden sowohl transgene Linien mit signifikant gesteigertem oder reduziertem Wachstum erhalten. Von diesen Pflanzen soll das Wachstum unter standardisierten Bedingungen validiert sowie die Expression von Genen der Biomassesynthesewege untersucht werden.
Dagegen wiesen drei unabhängig erzeugte, transgene Pappellinien, in denen SOC1 und FUL parallel überexprimiert wurden, einen stark beeinflussten Phänotyp mit deutlich reduzierter Pflanzenhöhe, sowie bei einem besonders intensiven Phänotyp veränderte Blätter und fragile Wurzeln auf. Die Überexpression von nur einem dieser Gene blieb unterdessen unauffällig, ebenso die einzelne und parallele Herabregulierung von SOC1 und FUL. Zur Erklärung der erhaltenen Ergebnisse nach der genetischen Modifikation von SOC1 und FUL wurden zwei Hypothesen entwickelt. Ihre Überprüfung bietet Ansatzstellen für weitere Untersuchungen und genetische Veränderungen, die durch neue Genome Editing-Techniken auch Möglichkeiten für die spätere praktische Verwendung der Pappeln eröffnen würden.
Kurzfassung auf Englisch: Renewable resources are an essential part of the German energy transition and hold great potential for energy production. Biomass can, for instance, be gathered from poplars grown on short rotation coppices. Their wood can be used as a solid fuel or as a fluid fuel after technical improvement. The potential of the applied poplar clones with regard to high wood yield has not yet been exhausted. The biomass production of poplars should ideally be modified and increased using biotechnological approaches. Since there are no plantations of genetically modified poplars in Germany the results of this thesis can serve candidate genes for conventional breeding. Thus, poplar breeding can be performed both faster and more target-oriented.
Background for the selection of candidate genes was a publication by Melzer et al. (2008). Here, SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1) and FRUITFULL (FUL) triggered secondary thickening and wood formation in Arabidopsis with a parallel knockout approach. Additionally to these two candidate genes, five other candidate genes were identified that were only partly annotated. These genes were expressed in poplar in developing xylem and in the catkins or the roots, respectively. The candidate genes were modified via Agrobacterium-mediated transformations for constitutive overexpression and knockdown by RNA interference. In total, 40 transgenic lines were examined on the molecular level and screened for significantly differing phenotypes. Selected lines were analysed regarding their wood composition and anatomy.
The results of the five xylem-expressing candidate genes were heterogeneous. Overexpression or downregulation did not consistently lead to aberrant phenotypes. However, several transgenic lines were produced with either significantly increased or decreased growth. These plants will be under further investigation concerning their growth under standardized conditions and possible changes in the expression of biomass-related genes.
Three independent transgenic lines with an overexpression of SOC1 and FUL showed a strongly influenced phenotype with significantly reduced plant height. One extreme case is marked additionally by aberrant leaves and fragile roots. Overexpressing only one of both genes as well as the parallel downregulation of both SOC1 and FUL remained unremarkable. To explain the yielded results after the genetic modification of SOC1 and FUL, two hypotheses were developed. Their validation provides approaches for further considerations and genetic modifications which can be used to open new potential for subsequent application by the new genome editing techniques.

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