Transgenic barley with altered cytokinin content

Šárka Vyroubalová

Doctoral thesis

Abstract:

Barley (Hordeum vulgare L.) is one of the most important cereal crops grown worldwide. Genes for cytokinin dehydrogenase (CKX, EC1.5.99.12) were used for barley transformations. Cytokinin dehydrogenase is an enzyme responsible for the irreversible degradation of plant growth regulators called cytokinins. Main function of cytokinins is control of cell division and organ differentiation. Cytokinin deficiency in transgenic plants showed interesting changes in plant morphology - retarded shoot growth and enhanced root growth. Enhanced root system can be exploited for a better anchorage of crop plants in soil, increased tolerance to drought stress or for improving their nutrient uptake. The maize CKX1 gene (ZmCKX1) and the genomic form of barley CKX2 gene (gHvCKX2) controlled by ubiquitin promoter were used for barley transformation. Approximately 500 immature barley embryos were transformed with the gHvCKX2 gene and only one transgenic plant was obtained. The transgenic plant created notably fewer culms compared to control plant. A significant change in root phenotype was not confirmed. Thirteen transgenic barley plants were formed after transformation of 993 embryos with the ZmCKX1 gene. Root systems of all transgenic plants were significantly enhanced, whereas aerial parts were reduced. Transgenic plants started to die after 7 to 11 weeks probably as a result of cytokinin deficiency. Therefore, transgenic plants with root-specific expression of the ZmCKX1 gene were prepared. The last chapter is focused on expression profiling of genes involved in cytokinin biosynthesis, degradation and perception in maize during development and stress responses. Expression of several cytokinin biosynthetic genes was induced in seedlings exposed to salt and osmotic stresses. Nevertheless, a direct effect of cytokinins on mediation or activation of stress responses was not proved due to slow changes in metabolite levels. Plants perhaps undergo a reduction of growth rates, maintained by abscisic acid accumulation in stressed tissues, by enhanced cytokinin levels

Abstract:

Ječmen (Hordeum vulgare L.) je celosvětově pěstovaná plodina, patřící mezi 4 zemědělsky nejvýznamnější obilniny (kukuřice, pšenice, rýže, ječmen). Pro transformaci ječmene byly použity geny pro cytokinin dehydrogenasu. Cytokinin dehydrogenasa (CKX, EC1.5.99.12) je enzym zodpovědný za ireverzibilní degradaci růstových regulátorů - cytokininů. Hlavní funkcí cytokininů je kontrola buněčného dělení a orgánové diferenciace, déle pak kontrola růstu adventivních pupenů, prodlužování listů a oddálení senescence. Již dříve bylo prokázáno, že transgenní cytokinin-deficientní rostliny vykazují pozměněný fenotyp se zakrslou nadzemní částí a zvětšeným kořenovým systémem. Zvětšený kořenový systém je výhodnou vlastností, která by mohla být využita v zemědělství, například pro lepší zakotvení rostlin v zemi, vyšší toleranci vůči stresu v období sucha a zvýšení příjmu živin z půdy. Pro transformaci ječmene byly vybrány geny gHvCKX2 a ZmCKX1 řízené konstitutivním ubikvitinovým promotorem. Přibližně 500 embryí bylo transformováno genomovou formou ječmenného genu HvCKX2. Zregenerovala pouze jedna transgenní rostlina. Nadzemní část transgenní rostliny byla zmenšená a vytvářela výrazně méně stvolů ve srovnání s kontrolními rostlinami. Zvětšený kořenový systém nebyl pozorován. Po transformaci 993 embryí kukuřičným genem ZmCKX1 bylo získáno 13 transgenních rostlin. Kořenový systém těchto rostlin byl značně zvětšen, zatímco nadzemní část zůstávala zakrslá. Rostliny začaly hynout po 7 až 11 týdnech od převedení do hlíny, nejspíše jako důsledek cytokininové deficience vyvolané zvýšenou aktivitou CKX. Následně byly vytvořeny transgenní rostliny s kořenově-specifickou expresí genu ZmCKX1, které měly zvětšený kořenový systém beze změny fenotypu nadzemní části. Druhá část práce sleduje expresní profily genů zapojených do metabolismu a percepce cytokininů během vývoje kukuřice a odpovědi na salinitní a osmotický stres. Exprese genů je diskutována v souvislosti s obsahem všech cytokininových metabolitů. Salinitní a osmotický stres indukuje expresi některých biosyntetických genů, což vede k mírnému zvýšení aktivních forem cytokininů trvající několik dnů po vyvolání stresových podmínek. Nicméně, nelze předpokládat přímý efekt cytokininů na zprostředkování aktivace odpovědi na stres, a to kvůli pomalým změnám hladin cytokininových metabolitů. Rostliny se nejspíše během stresu vyrovnávají se sníženou rychlostí růstu zvýšenou produkcí cytokininů

Keywords

Agrobacterium, barley, cytokinins, cytokinin dehydrogenase, Hordeum vulgare, osmotic stress, promoters, transformation

Keywords

Agrobacterium, cytokininy, cytokinin dehydrogenasa, Hordeum vulgare, ječmen, osmotický stres, promotor, transformace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 6. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 21. 6. 2010
• Supervisor: Petr Galuszka
• Reader: Radomíra Vaňková, Miroslav Strnad

Univerzita Palackého

Přírodovědecká fakulta

Doctoral programme / field:
Biochemie / Biochemie