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Chemical and Genetic Diversity in Sesame (Sesamum indicum L.)

dc.contributor.advisorKarlovsky, Petr Prof. Dr.de
dc.contributor.authorSyed, Rehana Nazde
dc.date.accessioned2012-06-12T15:10:07Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T10:18:30Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:20Zde
dc.date.issued2012-06-12de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-EF3B-Ede
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-1931
dc.description.abstractBiologische Diversität existiert sowohl zwischen mehreren Arten als auch innerhalb einer Art, innerhalb von Populationen und Individuen einer Population. Die intraspezifische Diversität wurde bislang ausgiebig auf der Ebene des Genoms untersucht. Sie ist im Kontext metabolischer Zusammenhänge in Pflanzen bisher kaum untersucht und es existieren nur wenige Veröffentlichungen zu diesem Thema. Uns sind bisher keine Publikationen zu Phytohormonen in Sesam bekannt. Neben dem wissenschaftlichen Interesse an der metabolischen Diversität in Sesam, spielen Stresshormone eine wichtige Rolle in der pflanzlichen Abwehr. Der Phytohormonspiegel im Samen ist unter agronomischen Gesichtspunkten relevant, da es vorkommen kann, dass Sesamsamen spontan auskeimen, während sie sich noch an der grünen Pflanze befinden. Diese Eigenschaft ist unerwünscht, da der wertvolle Samen auf diese Weise verloren geht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Variation im Phytohormonniveau in 16 Akzessionen mit unterschiedlicher geographischer Herkunft untersucht. In Blättern und Wurzeln konnten ABA, JA, SA und SAG nachgewiesen werden, während GA4 lediglich in Blättern vorkam. Eine der Akzessionen aus Japan („Japan 2“) produzierte JA, SA und SAG in hohem Ausmaß. Hier konnten außerdem hohe Gehalte an Chitinasen festgestellt werden. Chitinasen sind für den Abbau von Chitin, dem Hauptbestandteil der pilzlichen Zellwand, verantwortlich. Eine Charakterisierung der Akzessionen mittels AFLP-Analyse zeigte, dass sich „Japan 2“ genetisch nicht mehr von anderen Akzessionen unterschied, als das Mittel der Unterschiede innerhalb aller gesammelten Proben. Bereits in früheren Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe im Rahmen einer ungerichteten Metabolitenanalyse, konnte eine hohe Variabilität bei Sesamakzessionen gezeigt werden (Laurentin et al. 2006). Darüber hinaus, stimmen die Unterschiede im metabolischen Profil der Akzessionen nicht mit dem Grad ihrer genetischen Verwandtschaft überein. Es ist bekannt, dass tageszeitliche Unterschiede viele biologische Prozesse kontrollieren. Wir haben die tageszeitlichen Effekte auf den Phytohormonstatus untersucht und dabei die Unterschiede in Pflanzenorganen berücksichtigt. Tageszeitliche Konzentrationen von ABA, JA, IAA, SA und SAG wurden zu 8 unterschiedlichen Tageszeitpunkten in 3 unabhängigen Replikaten mittels HPLC untersucht. Wir konnten keine statistisch signifikanten Unterschiede erkennen. Die Untersuchungen zeigten jedoch eine Variation in den Phytohormonkonzentrationen in unterschiedlichen pflanzlichen Organen. Sekundäre pflanzliche Metabolite spielen als Resistenzfaktoren gegen Mikroorganismen eine wichtige Rolle. Sesamakzessionen, die diese Substanzen im hohen Ausmaß produzieren, stellen eine wichtige züchterische Ressource da. Um die Variation innerhalb der Akzessionen zu untersuchen, die ein hohes Niveau an sekundären Inhaltsstoffen aufweisen, haben wir die Effekte von 32 Pflanzenextrakten aus Sesamakzessionen gegen phytopathogene Pilze untersucht. Darunter befand sich ein Wurzelpathogen mit Spezialisierung auf Sesam (Macrophomina phaseolina), ein Blattpathogen mit breitem Wirtspflanzenkreis (Alternaria alternata) und Gefäßpathogen (Fusarium oxysporum). Die Diversität der Effekte, die für die unterschiedlichen Akzessionen beobachtet werden konnten, führt zu der Annahme, dass die Resistenzeigenschaften der Pflanzen durch gezielte züchterische Beeinflussung der metabolischen Aktivität verbessert werden können. In weiterführenden Untersuchungen zur Aufreinigung der Substanzen mit inhibitorischer Wirkung wurden Pflanzenextrakte in 80% Ethanol mit verschiedenen organischen Lösungsmitteln fraktioniert. Die meisten inhibitorischen Effekte konnten der Diethylether-Fraktion zugeschrieben werden. Im ersten Schritt wurden 4L des Extraktes hergestellt. Zwei aufgereinigte Lignane aus Sesam wurden gegen M. phaseolina, A. alternata und F. oxysporum getestet. Sesamin zeigte keinen Effekt bis zu einer Konzentration von 5mg/ml, während Sesamol (und 2,4-Dinitrophenol als Kontrolle) einen starken inhibitorischen Effekt aufwies. Für diese Substanzen wurden IC50 Werte ermittelt. Man kann festhalten, dass Sesamol dazu dienen kann, das Wachstum invasiver Pathogene einzuschränken. Durch die Kreuzung von zwei Elternlinien, die in der AFLP-Analyse einen signifikanten Polymorphismus aufwiesen, wurden Inzuchtlinien erzeugt. Die Nachkommen dieser Kreuzung wurden in 5 Generationen selbstbefruchtet. Das so entstandene Set aus RILs wurde mittels AFLP charakterisiert. Alle untersuchten RILs waren Hybride. Dies zeigt, dass während der ersten Kreuzung der Elternlinien keine Selbstung erfolgte. Wie erwartet, spalteten polymorphe AFLP-Marker der Elternlinien in den RILs zufällig auf. Monomorphe Marker fehlten in einigen RILs. Des Weiteren traten neue Marker auf, die zuvor nicht in den Elternlinien festgestellt werden konnten. Das Auftreten neuer Marker kann durch Rekombination zwischen Restriktionsfragmenten erklärt werden, welche die AFLP-Marker begrenzen. Die RILs werden nun von unseren Kooperationspartnern zum Aufbau einer genetischen Karte verwendet (Prof. Sami Doganlar und seine Arbeitsgruppe, Universität Antalya, Türkei).de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleChemical and Genetic Diversity in Sesame (Sesamum indicum L.)de
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedChemische und Genetische Divesitat in Sesame (Sesamum indicum L.)de
dc.contributor.refereeKarlovsky, Petr Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-10-28de
dc.subject.dnb630 Landwirtschaftde
dc.subject.dnbVeterinärmedizinde
dc.subject.gokPflanzenpathologiede
dc.description.abstractengBiological diversity exist between species and within species among populations and individuals. Intraspecies diversity has been extensively studied at the genome level but intraspecies diversity in metabolic constitution has received very limited attention was studied only in a handful of publications. To our knowledge no studies have been published on phytohormones in sesame. Apart from the academic interest in metabolic diversity, stress hormone play an important role in defense against pathogens. Phytohormones level are also relevant from practical point of view because seeds of sesame sometimes germinate spontaneously while capsules still attach to the plants and green. This is highly undesirable characteristic because valueable seeds are lost. We determined the diversity in phytohormone level among 16 sesame accessions of different geographical origin. We able to detect ABA, JA, SA and SAG in leaves and roots while GA4 only in leaves. One of the accession orignating from Japan ("Japan 2") produced high level of JA, SA as well as SAG. This accession was producing high amount of chitinase as well, which is essential for the degradation of chitin, a major component of the fungal cell wall. Characterization of accessions by AFLP reveled that "Japan 2" was not genetically more distant from the other accessions than the average distance within the collection. Previous findings of our research team founds untargeted metabolic profiling of sesame revealed a high variability in (Lauerntin et al. 2006). Moreover, the differences among metabolic profiles of the accessions were not concordant with their genetic distance. Circadian clock known to control the various biological process We established the effect of circadial rhythm on phytohormone levels and determined the difference among organ. Circadial ABA, JA, IAA, SA and SAG levels detected by HPLC at eight different time point during the day with three independeat replicate showed no statistical significant diurnal variation. However variation in phytohormone concentration was found to vary in different parts. Secondary metabolites as resistant factor against microorganisms are relevant in disease resistance. Accessions that produce high levels of such compounds are a valuable source for sesame breeding. To determine the variation in accessions that produce high levels of such ecological metabolites, we tested the effects of extracts of 32 sesame accessions against pathogenic fungi, including a root pathogen specialized on sesame Macrophomina phaseolina, a leaf pathogen with a broad host range Alternaria alternata and a vascular pathogen Fusarium oxysporum. The diversity of the effects observed for different accessions lead to the assumption that there is potential to improve plant disease resistance in sesame using metabolic pathway engineering. In a continuation of this research toward purification of metabolites that are responsible of inhibitory effect, crude 80% ethanol extracts fractioned with different organic solvents revealed that inhibitory effect was most prominent in the diethylether fraction. 4L of the crude extract as produced and fractioned as the first step towards purification. Two purified sesame lignans were also tested against the M. phaseolina, A.alternata, F.oxysporum. Sesamin had no effect up to a concentration of 5mg/ml while sesamol (and 2,4-dinitrophenol used as a control) had strong inhibitory effects. IC50 value of these compounds were determined. We concluded that sesamol may help the plant by inhibiting the growth of invading pathogens. Inbread lines were developed by crossing two parents that showed significant polymorphism revealed by AFLP. Single seed descents were selfed for five generations. A subset of the RILs obtained was characterized by ALFP. All RILs studied were hybrids, showing that no selfing occurred during the original crossing experiment. Polymorphic AFLP markers of parents segregated into RILs randomly as expected. However, some monomorphic markers were missing in some RILs, and new markers were detected in RILs that were missing in both parents. These results can be explained by recombination events that occurred between restriction sites delimiting AFLP markers. The RILs will be used by our collaborating partner to construct a linkage map of sesame (Professor Sami Doganlar and his team at Antalya University, Turkey)de
dc.contributor.coRefereeWhitbread, Anthony Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeFrary, Anee Prof. Dr.de
dc.subject.topicAgricultural Sciencesde
dc.subject.gerIntraspezifische Diversitätde
dc.subject.gerPhytohormonende
dc.subject.gerStresshormonede
dc.subject.gerAbscisic acidde
dc.subject.gerSalicylic acidde
dc.subject.gerJasmonic acidde
dc.subject.gerGibberllic acidde
dc.subject.gerIndole-3-acetic acidde
dc.subject.gerCharakterisierung der Akzessionen mittels AFLP-Analysede
dc.subject.engIntraspecies diversityde
dc.subject.engPhytohormonesde
dc.subject.engStress hormonede
dc.subject.engCharacterization of accessions by AFLPde
dc.subject.engUntargeted metabolic profilingde
dc.subject.engCircadian clockde
dc.subject.engEffect of circadial rhythm on phytohormone levelsde
dc.subject.bkLand- und Forstwirtschaftde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3555-2de
dc.identifier.purlwebdoc-3555de
dc.affiliation.instituteFakultät für Agrarwissenschaftende
dc.identifier.ppn730381978de


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