Unravelling the regulatory network involved in heat-stress tolerance of potato plants (Pot-HotNet)

揭开马铃薯植物耐热胁迫相关的调控网络 (Pot-HotNet)

基本信息

项目摘要

Potato (Solanum tuberosum) is one of the most important crops worldwide. Its popularity increases steadily due to its relatively easy cultivation and the high nutritional value of potato tubers. However, already slightly elevated temperatures have a strong negative impact on potato tuber formation, yield and quality. Also in Central Europe a higher frequency of warm periods is expected during the growing season of potato demonstrating that there is is an urgent need to breed new heat-stress tolerant cultivars to ensure yield stability. A better understanding of underlying molecular mechanisms will build the basis for these improvements. In previous studies, we analyzed the physiological, metabolic and molecular changes in response to elevated temperatures in a sensitive cultivar and identified processes that might contribute to increased temperature adaptation. Within the proposed project we will explore the broad spectrum of European cultivars to elucidate the molecular mechanisms and regulatory networks which confer heat tolerance. To this end, we plan to grow 200 different (breeder-selected) potato cultivars under control (20°C) and elevated temperatures (30°C) and to monitor phenotypic, morphological and biochemical changes allowing to group genotypes based on their response pattern. Preliminary experiments showed that the heat-mediated increase in shoot length negatively correlates with tuber yield. Shoot length is an easy to determine parameter which will be used for a genome-wide association study (GWAS). To facilitate this, all cultivars will be sequences (GBS) to detect alleles that correspond with heat stress tolerance. So far, most GWAS were performed in diploid species. Here, we will use and develop this approach for the tetraploid potato crop. Corresponding bioinformatic tools have been established in our lab. A pilot experiment with six cultivars revealed an appropriate sequencing depth and variability. Beside the genotyping will aim at investigating transcriptional changes in contrasting genotypes by RNA sequencing to identify genes that differ in their expression in sensitive and tolerant varieties. Furthermore, the transcriptome data will permit to analyze changes in gene expression in previously identified processes. Moreover, they will allow us to prove whether allelic variance is reflected at transcriptional level and thereby to narrow down candidate genes. In order to detect genome- transcriptome-phenome interactions all data will be integrated in a network analysis. Candidate genes will be verified independently and subsequently characterized in greater detail and used to develop diagnostic markers suitable for breeding programs.
马铃薯(Solanum Tuberosum)是世界上最重要的农作物之一。由于其相对容易的栽培和马铃薯块茎的高营养价值,它的受欢迎程度稳步上升。然而,已经略有升高的温度对马铃薯块茎形成、产量和品质产生了强烈的负面影响。此外,在中欧地区,预计马铃薯生长季节将出现更频繁的暖期,这表明迫切需要培育耐热胁迫的新品种以确保产量稳定。更好地理解潜在的分子机制将为这些改进奠定基础。在以前的研究中,我们分析了敏感品种在高温下的生理、代谢和分子变化,并确定了可能有助于提高温度适应的过程。在拟议的项目中,我们将探索欧洲品种的广泛光谱,以阐明赋予耐热性的分子机制和调控网络。为此,我们计划在对照(20°C)和高温(30°C)下种植200个不同的(育种者选择的)马铃薯品种,并监测表型、形态和生化变化,以便根据它们的反应模式对基因进行分组。初步试验表明,高温诱导的新梢长度增加与块茎产量呈负相关。枝条长度是一个容易确定的参数,将用于全基因组关联研究(GWAS)。为了促进这一点,将对所有品种进行测序(GBS),以检测与耐热胁迫相对应的等位基因。到目前为止,大多数GWA是在二倍体物种中进行的。在这里,我们将使用和发展这种方法的四倍体马铃薯作物。我们实验室已经建立了相应的生物信息学工具。对6个品种进行的初步试验显示了适当的测序深度和变异性。此外,基因分型的目的是通过RNA测序研究不同基因类型的转录变化,以确定在敏感和耐受品种中表达不同的基因。此外,转录组数据将允许分析在先前确定的过程中基因表达的变化。此外,它们将使我们能够证明等位基因差异是否反映在转录水平上,从而缩小候选基因的范围。为了检测基因组-转录组-物候组的相互作用,所有数据都将被整合到一个网络分析中。候选基因将被独立验证,随后将更详细地描述特征,并用于开发适合育种计划的诊断标记。

项目成果

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