Studium kontrolované změny úhlu kořene ječmene (Hordeum vulgare L.)

Bc. Jakub LEMBERK

Diplomová práce

Study of root angle determination in barley (Hordeum vulgare L.)

Abstract:

Root system architecture, specifically root growth angle and spatial distribution of roots, is an important factor for plant in acquiring resources from the soil. Plants with narrow root growth angle could exploit resources from greater depth and avoid drought. Recently, the role in the root system architecture of the two rice genes OsDRO1 and qSOR/DRL1 was recognized. In this work, we identified gene HORVU.MOREX.r3.5HG0480470 in barley as putative homolog of rice gene OsDRO1 (81,6% identity), and gene HORVU.MOREX.r3.2HG0125600 in barley as putative homolog of rice gene qSOR/DRL1 (94,7% identity). Based on screened root growth angles of the landrace HOR1122 (53,8 °), and two modern cultivars cv. Golden Promise (45,5 °) and cv. Maythorpe (37,9 °) after in vitro cultivation, expression of HvDRO1 and HvDRL1 was measured in crown of cv. Golden Promise and Maythorpe during crown-root initiation and development using an auxin-based inducible system. Concerning HvDRL1 gene, no expression could be detected in the crown of the seedling of none of the cultivar at the start of the initiation. For both genotypes, HvDRL1 transcripts accumulated in the crown 3 days after the start of initiation by auxin. At this moment, "buds" at the surface of the crown were visibly emerging, suggesting the presence of new CR primodium. The expression remains constant during the rest of the kinetic analysed. A low, basal expression of HvDRO1 was detected in the crown of seedlings at any time of the kinetic. No significant difference between the two cultivars could be observed. Agrobacterium tumefaciens-mediated barley immature embryo transformation was employed to knock-out either HvDRO1 or HvDRL1 by the CRISPR/Cas9 methodology. Despite a huge number of embryo were transformed, only 5 plants were found to contain the T-DNA. Among those plants, one (DRO2-S4/3) was predicted using DECODER to have a 3-base deletion in the HvDRO1 gene, 3 bp upstream of PAM sequence. This T0 plant did not show morphology difference between mutated and nonmutated plant's above-ground part. The effect of the mutation in the HvDRO1 on the plant fitness and root system architecture will be studied in the next generation.

Abstract:

Architektura kořenového systému, konkrétně úhel růstu kořenů a prostorové rozložení kořenů, je důležitým faktorem pro rostliny při získávání zdrojů ze země. Rostliny, u kterých rostou kořeny pod úzkým úhlem mohou využívat zdroje z větší hloubky a vyhnout se tak suchu. Nedávno byla rozpoznána role dvou rýžových genů OsDRO1 a qSOR/DRL1 v architektuře kořenového systému. V této práci jsme u ječmene identifikovali gen HORVU.MOREX.r3.5HG0480470 jako možný homolog rýžového genu OsDRO1 (81,6% shoda) a gen HORVU.MOREX.r3.2HG0125600 jako možný homolog rýžového genu qSOR/DRL1 (94,7% shoda). Na základě zkoumaného úhlu růstu kořenů z krajové odrůdy HOR1122 (53,8°) a dvou moderních kultivarů cv. Golden Promise (45,5°) a cv. Maythorpe (37,9°) pěstovaných in vitro, byla měřena exprese genů HvDRO1 a HvDRL1 v koruně cv. Golden Promise a Maythorpe během iniciace a vývoje kořenů pomocí auxinového indukčního systému. Pokud jde o gen HvDRL1, nebylo možné detekovat žádnou expresy v koruně u žádného z kultivarů na začátku iniciace. Pro oba genotypy se při použití auxinu hromadily transkripty HvDRL1 v koruně 3 dny po zahájení iniciace. V této době se na povrchu koruny viditelně objevovaly "poupata", což naznačovalo přítomnost nových CR primordií. Exprese zůstávala konstantní po zbytek analyzovaného kinetického období. V koruně sazenic byla detekována nízká bazální exprese HvDRO1 kdykoliv během zkoumaného období. Mezi oběma kultivary nebyl pozorován žádný významný rozdíl. Knock out genů HvDRO1 nebo HvDRL1 byl iniciován za použití metodologie CRISPR/Cas9 a transformace nezralých ječmenných embryí Agrobacterium tumefaciens. Přestože bylo transformováno obrovské množství embryí, pouze 5 rostlin obsahovalo T-DNA. U jedné z těchto rostlin (DRO2-S4/3) byla pomocí DECODERu předpovězena 3 bázová deleci v genu HvDRO1, 3 bp před PAM sekvencí. Tato rostlina v generaci T0 nevykazovala žádné morfologické změny v nadzemní časti rostliny oproti rostlině bez mutace. Vliv mutace v genu HvDRO1 na kondici rostliny a architekturu kořenového systému bude studován v další rostlinné generaci.

Keywords

Ječmen, úhel růstu kořene, DEEPER ROOTING 1 (DRO1), DRO1-like (DRL1), CRISPR/Cas9

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 28. 4. 2023

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Véronique Hélene Bergougnoux-fojtik, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Molekulární a buněčná biologie / Molekulární a buněčná biologie