Drought stress response of tetraploid hybrid aspen (Populus tremula L. x P. tremuloides Michx.) of protoplast fusion experiments)

Abstract

Pappelsorten (Populus) für den Anbau in Kurzumtriebsplantagen sollten neben einer hohen Biomasseproduktion und der Vermehrbarkeit über Steckhölzer auch Trockentoleranz aufweisen. Trockenheit stellt einen wichtigen abiotischen Stressor dar, der das Wachstum der Pflanze, ihre Vitalität und ihre Produktivität negativ beeinflussen kann. Polyploide Sorten von Getreidepflanzen (Triticum), krautigen Pflanzen (Lonicera, Spathiphyllum und Nicotiana) aber auch Baumarten (Betula) zeigen eine höhere Toleranz gegenüber Stress, wie z.B. Trockenstress, im Vergleich zu Sorten mit niedrigerem Ploidiegrad. Hybridaspen Populus tremula (L.) x P. tremuloides (Michx.) der Sektion Populus können auch auf Grenzertragsböden ökonomische Zuwächse verzeichnen, auf denen andere Baumarten ausfallen. Den Hybridaspen fehlt allerdings die Vermehrbarkeit über Steckhölzer. Anderen Pappelarten der Sektionen Tacamahaca und Aigeiros wie beispielsweise P. nigra (L.) and P. trichocarpa (Torr. & Gray) x P. deltoides (Bartram ex Marsh) zeigen diese entscheidende Eigenschaft. Da Kreuzungen zwischen den Sektionen Populus und Tacamahaca oder Aigeiros auf natürlichem Weg schwierig sind, wurde die Methode der somatischen Hybridisierung eingesetzt. Der Klon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') wurden als ein Fusionspartner und einer der Klone P. x canescens (INRA clone No. 717 1‑B4), P. nigra oder P. trichocarpa x P. deltoides (B19) als zweiter Fusionspartner in Hybridisierungsexperimenten verwendet. Blattmorphologisch und durch Mikrosatellitenanalysen konnten die erhaltenen Fusionsprodukte dem Ausgangsklon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zugeordnet werden, wiesen dabei aber einen tetraploiden Chromosomensatz auf. In der vorliegenden Dissertation war das zentrale Ziel, Trockenstressreaktionen tetraploider Hybridaspenlinien (HAL) im Vergleich zur diploiden Ausgangslinie P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zu untersuchen. Dazu wurden die folgenden Fragen aufgestellt. (i) Sind die tetraploiden HAL dem diploiden Ausgangsklon unter Trockenheit überlegen z.B. hinsichtlich des Wasserverbrauchs und des Verwelkungs- und Vertrocknungszeitpunktes der Blätter? (ii) Unterscheiden sich die tetraploiden HAL von dem diploiden Ausgangklon in morphologischen Ausprägungen wie beispielsweise der Stomatamorphologie, der Höhe, der Biomasse und der Gesamtblattfläche? (iii) Ist die höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL durch den erhöhten Ploidiegrad verursacht? (iv) Zeigen die tetraploiden HAL unter Trockenstress früh physiologische Veränderungen im Kohlenhydratgehalt, dem relativen Blattwassergehalt und der stomatären Leitfähigkeit? (v) Gibt es genetische Modifikationen abgesehen von der Tetraploidie wie z.B. Duplikationen und Deletionen, die eventuell Einfluss auf das Trockensressverhalten haben könnten? In einem ersten Experiment wurden vier tetraploide HAL untersucht. Zwei HAL zeigten einen geringeren Wasserverbrauch und drei HAL eine spätere Verwelkung als der diploide Ausgangsklon. Außerdem entwickelten die tetraploiden HAL eine geringere Stomatadichte, größere Stomata und eine vergleichbare oder geringere Höhe, Biomasse und Gesamtblattfläche im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Das zweite Experiment wurde mit vier diploiden und 16 weiteren tetraploiden HAL durchgeführt. Auch die diploiden Linien stammten aus Protoplastenfusions-experimenten. Die tetraploiden HAL wiesen im Mittel eine höhere Überlebensrate als die diploiden HAL auf, entwickelten aber durchdschnittlich ein geringeres Höhenwachstum. Unter Berücksichtigung der Höhe verwelkten 11 tetraploide, aber keine diploide HAL später als der diploide Ausgangsklon. In einem dritten Experiment wurden zwei Linien aus dem zweiten Experiment ausgewählt, die vergleichbares Höhenwachstum zeigten, aber später verwelkten als der diploide Ausgangklon. Es wurden physiologische Merkmale wie der Wasserverbrauch und der Verwelkungszeitpunkt der Blätter beobachtet und der relative Blattwassergehalt, die stomatäre Leitfähigkeit und der Kohlenhydratgehalt in einer Zeitreihe untersucht. Geringerer Wasserverbrauch im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon konnte in beiden tetraploiden HAL gezeigt werden. Diese Beobachtung deckt sich mit dem höheren relativen Bodenwassergehalt der tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Insgesamt spricht das für geringeren Trockenstress in den tetraploiden HAL. Auf der anderen Seite sollte ein geringerer Wasserverbrauch auch eine geringere stomatäre Leitfähigkeit nach sich ziehen. Dies war in den tetraploiden HAL nicht durchgehend der Fall. Relativ zur Kontrolle konnten die tetraploiden Linien aber eine höhere stomatäre Leitfähigkeit bei Bodenwassergehalten aufrechterhalten, bei denen die diploide Ausgangslinie bereits ihre Stomata geschlossen hatte. Dies weist ebenfalls auf eine höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL hin. Genetische Modifikationen wie beispielsweise Duplikationen und Deletionen wurden mit Hilfe von “copy number variation”(“Kopienzahlvariation”)-Analysen an drei tetraploiden HAL und der diploiden Ausgangslinie durchgeführt. Die drei tetraploiden Linien zeigten vergleichbares Höhenwachstum, aber spätere Verwelkung als die diploide Ausgangslinie. Bei dieser Analyse konnten nur drei Segmente detektiert werden, die bei allen drei tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon verändert vorlagen. Die putativen Gene der detektierten Segmente wiesen keine Annotation auf. Eine der drei tetraploiden HAL zeigte eine hohe Anzahl von 90 Segmenten, die hier aber weder in dem diploiden Ausgangsklon noch in den beiden anderen tetraploiden Linien erhöht vorlagen. Diese Linie zeigte zwar eine höhere Trockentoleranz als der diploide Ausgangsklon, aber nicht gegenüber der anderen untersuchten tetraploiden HAL (Experiment 3). Beide tetraploiden HAL waren bezüglich des Wasserverbrauchs, des Verwelkungszeitpunktes und der stomatären Leitfähigkeit ähnlich. Dies lässt vermuten, dass die Trockentoleranz durch die Tetraploidie und nicht durch weitere genetische Modifikationen bedingt ist. Trotzdem ist eine weiterführende funktionelle Untersuchung der drei Segmente, die in allen tetraploiden HAL verändert auftraten, sinnvoll, da auch hier ein trockenrelevantes Gen verändert sein könnte. Um eine Relevanz der putativen Gene bezüglich Trockenheit zu testen, könnte zukünftig das Verhalten von Knock-out-Mutanten, denen die entsprechende Sequenz fehlt, unter Trockenstress untersucht werden. Abschließend ist zu bemerken, dass neben den hier untersuchten HAL mehrere hundert Fusionsprodukte in einem Verbundprojekt genetisch charakterisiert wurden. Die Heterofusionsfrequenz war äußerst gering und die Hybriden waren bereits in der in vitro Phase nicht überlebensfähig. Geringe Heterofusionsfrequenz wurde beteits in anderen Arten beobachtet (Cyclamen, Brassicaceae, Fabaceae, Poaceae, Solanaceae). Da in dieser Dissertation nur Homofusionslinien verwendet wurden, wurde die Vermehrbarkeit über Steckhölzer nicht getestet, sondern der Fokus auf das Trockenstressverhalten der tetraploiden Homofusionslinien gelegt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass veränderte morphologische Ausprägungen und eine höhere Trockentoleranz in den HAL mit erhöhten Ploidiegrad auftraten. Dies prädestiniert die tetraploiden Linien für Standorte, an denen Wasser als limitierender Faktor auftritt und hohe Ausfallraten durch Dürre erwartet werden.