Biofortifikace jarního ječmene

Mgr. Tomáš VLČKO

Doctoral thesis

The Biofortification of Spring Barley

Abstract:

Barley is annually sown on thousands of hectares and is the fourth most important cereal crop in the world. Phosphorus is an essential element with a high value for nutrition. It is also essential for plant growth and the second most limiting element to plant development. Phosphate and microelement utilization from cereal grains depend strongly on the form in which phosphate and microelements are stored. The scope of the work is the improvement of phosphate utilization in the barley-based feed. Since phosphate is stored in barley grains in an organic form of phytic acid, which is difficult to digest by non-ruminants, phosphate is not fully bio-available and a substantial part of the total content is undigested. Alteration of phosphate content in barley grains can improve phosphate utilization and increase the nutritional value of barley-based feed. The currently available tools of genome editing (GE) technology facilitate genetic manipulation. In this work, application of clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/ CRISPR associated protein (Cas) system for development of mutant barley lines with altered phosphate content is described. Genes for inositol trisphosphate 5/6 kinases (ITPK) were selected as targets for GE. ITPKs play a role in sequential phosphorylation of myo-Inositol phosphates thus participating in the storage of phosphate in developing grains. Homozygous mutant barley lines with single bp mutation in HvITPK1 were obtained. Obtained mutant lines were analysed for phosphate content in mature grains, germination rate, ITPK genes expression under abiotic stress.

Abstract:

Ječmen je každoročně oset na tisících hektarech a je čtvrtou nejdůležitější plodinou obilovin na světě. Fosfor je základní prvek s vysokou hodnotou pro výživu. Je také nezbytný pro růst rostlin a je druhým nejvíce limitujícím prvkem pro vývoj rostlin. Využitelnost fosfátu a mikroprvků ze zrn obilovin silně závisí na formě, ve které je fosfát a mikroprvky uložen. Předmětem této práce je zlepšení využitelnosti fosfátu v krmivech založených na ječmenu. Jelikož je fosfát uložen v zrnech ječmene v organické formě - kyselině fytové, která je obtížně stravitelná pro nepřežvýkavce, fosfát není plně dostupný a významná část celkového množství je nestrávena. Změna obsahu fosfátu v obilkách ječmene může zlepšit využitelnost fosfátu a zvýšit nutriční hodnotu na ječmenu založených krmiv. V současné době dostupné nástroje technologie editace genomu zjednodušují genetické manipulace. V této práci je popsána aplikace systému CRISPR/Cas k vytvoření mutantních linií ječmene s pozměněným obsahem fosfátu. Byly vybrány geny kódující inositol trisfosfát 5/6 kinasy (ITPK) jako cíle editace genomu. ITPK hrají roli v postupné fosforylaci myo-Inositol fosfátů, čímž se podílejí na ukládání fosfátu ve vyvíjejících se obilkách. Byly získány homozygotní mutantní linie ječmene s jednobázovou mutací v genu HvITPK1. Získané mutantní linie byly analyzovány na obsah fosfátu ve zralých zrnech, klíčivost, exprese ITPK genů při abiotickém stresu.

Keywords

ječmen, biofortifikace, CRISPR, editace genomu, fosfát

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 3. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Martin Fellner, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Experimental Biology