Meiotische Rekombination, Pollengröße und allelische Selektion im Roggen (Secale cereale) unter Nährtstoffmangel verursacht durch 140 Jahre Monokultur

Description: Die Pflanzenzüchtung beruht überwiegend auf der Selektion von neuen, vorteilhaften Allelkombinationen um Nutzpflanzen zu verbessern. Neue Allelkombinationen entstehen durch meiotische Rekombination und Fremdbestäubung im Zuge der sexuellen Reproduktion. Rekombination und Fremdbestäubung zählen gleichzeitig zu den wichtigen Mechanismen, welche die Evolution pflanzlicher Populationen ermöglichen. Die Genome vieler Nutzpflanzen (z.B. Roggen, Weizen und Gerste) bestehen aus sehr großen, heterochromatischen Bereichen, in denen die Rekombinationsrate extrem reduziert ist. In diesen genomischen Bereichen befinden sich allerdings ca. 30 % aller Gene, welche dadurch für Pflanzenzüchter unzugänglich sind. In diesen Bereichen befinden sich tendenziell Gene, welche in essentiellen zellulären Prozessen, wie z.B. der Photosynthese, involviert sind. Weiterhin ist die Fremdbestäubung in Arten, welche ihren Pollen über Wind verbreiten, von der Größe der Pollen abhängig.Die meiotische Rekombination und die Pollenentwicklung werden auf molekularbiologischer Ebene durch mehr als 80 bisher bekannte Gene reguliert. Interessanterweise sind beide Prozesse auch stark von Umweltbedingungen abhängig. Diese Umweltabhängigkeit führt zu quantitativen Änderungen in der Ausprägung dieser Merkmale und ermöglicht so Variabilität in der Entstehung neuer Allelkombinationen im Laufe der Evolution.Das Ziel dieses Projektes ist es die genetischen Mechanismen zu verstehen, welche zu Variationen in der Rekombinationsrate, der Pollengröße und der Selektion unter Stressbedingungen führen. Die Erkenntnisse, welche hier erarbeitet werden, können dazu führen Züchtungsmethoden zu verbessern. Dies kann durch eine Erhöhung der effektiven Rekombinationsrate durch meiotische Rekombination und Fremdbestäubung geschehen. Weiterhin besteht die Möglichkeit unser Verständnis über den direkten Einfluss von Rekombination und Fremdbestäubung auf Verschiebungen in der Allelfrequenz durch Selektion zu verbessern.Um dieses Ziel zu erreichen beabsichtigen wir einen Dauerfeldversuch zu nutzen in dem eine Roggenpopulation abiotischem Stress ausgesetzt ist. Das Projekt ist auf drei Schwerpunkte ausgerichtet: (1) der genetischen Kontrolle der Rekombinationsrate unter abiotischem Stress und basierend auf genetischen Unterschieden, (2) der genetischen Grundlage von quantitativen Unterschieden in der Pollengröße unter abiotischem Stress und basierend auf genetischen Unterschieden und (3) der Verschiebung von Allelfrequenzen durch Selektion unter abiotischem Stress und wie diese direkt von Rekombination und Fremdbestäubung beeinflusst werden.Dies wird unser Verständnis über die effektive Entstehung neuer Allelkombinationen durch Rekombination und Fremdbestäubung verbessern. Die hier identifizierten Genvarianten können dann in Züchtungsprogramme integriert werden.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Gerste ? Roggen ? Weizen ? Genom ? Phytopathologie ? Wind ? Nutzpflanze ? Photosynthese ? Pflanzensamen ? Monokultur ? Pflanzenzüchtung ? Pollen ? Standortbedingung ? Stress ?

Region: Saxony-Anhalt

Bounding boxes: 11.7333° .. 11.7333° x 52° .. 52°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2021-01-01 - 2025-12-25

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Meiotic recombination, pollen size variation, and allelic selection in rye (Secale cereale) under the effects of nutrient deficiency caused by 140-years of monoculture
  Description: Plant breeding largely relies on the generation of novel allelic combinations through meiotic recombination and cross-pollination throughout sexual reproduction to achieve crop improvement. These processes are collectively referred to as genetic shuffling. At the same time, recombination rate variation and cross-pollination are major evolutionary forces in plant populations. Many crops essential to human nutrition, such as barley, wheat, and rye, comprise large heterochromatic genomes where approximately 30% of all genes are located in low-recombining heterochromatic regions, rendering these genes inaccessible to breeding efforts. These genomic regions tend to harbour genes involved in basic cellular processes such as photosynthesis, thereby holding promise for future crop improvement under changing climate conditions. Furthermore, cross-pollination in wind-pollinating species is affected by pollen size, i.e. how far pollen grains can be dispersed by wind.Genetic shuffling processes, both meiotic recombination and cross-pollination, are at their very core genetically determined developmental programmes governed by a multitude of more than 80 genes currently described in plants. However, both are also known to be affected by environmental conditions, shaping quantitative differences and mediating changes in patterns of diversity throughout evolution. This project aims to understand the genetic architecture underlying variation in recombination rates, pollen size, and patterns of selection in response to abiotic stress caused by long-term monoculture. The knowledge generated here holds promise to improve plant breeding methods and support crop improvement by increasing genetic shuffling through recombination and cross-pollination. Furthermore, it will improve our understanding of how recombination and cross-pollination directly impact on allele frequency changes through selection in plant populations.To achieve this, we will take advantage of a long-term field trial in which a genetically divergent rye population is subjected to the effects of abiotic stress caused by 140 years of monoculture. The project will focus on three objectives: (1) to reveal the genetic architecture underlying recombination rate variation in response to abiotic stress and based on genetic divergence, (2) to investigate pollen size variation caused by abiotic stress and genetic divergence and identify the underlying genes, and (3) to explore patterns of selection imposed by abiotic stress and how variation in recombination and pollen size directly affect allele frequency changes.This will further our understanding of how new allelic combinations are effectively generated through recombination and cross-pollination, and alleles identified will be available for plant breeders to be incorporated into breeding programmes. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140234

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/466716861 (Webseite)

Status

Aktiv

Quality score

• Overall: 0.51
• Findability: 0.69

  • Title: 1.00
  • Description: 0.16
  • Identifier: false
  • Keywords: 1.00
  • Spatial: RegionIdentified (1.00)
  • Temporal: true
• Accessibility: 0.67

  • Landing page: Specific (1.00)
  • Direct access: false
  • Publicly accessible: true
• Interoperability: 0.00

  • Open file format: false
  • Media type: false
  • Machine-readable metadata: false
  • Machine-readable data: false
• Reusability: 0.67

  • License: ClearlySpecifiedAndFree (1.00)
  • Contact info: false
  • Publisher info: true

Accessed 1 times.