High-throughput genome-wide expression analysis of a non-model organism : the chickpea root and nodule transcriptome under salt and drought stress

Genomweite Genexpressionsanalyse einer Nichtmodell-Pflanze im Hochdurchsatz : das Transkriptom der Wurzel und Wurzelknöllchen der Kichererbsen-Pflanze unter Salz- und Trockenstress

  • Drought and salt stress are the major constraint to increase yield in chickpea (Cicer arietinum). Improving drought and high-salinity tolerance is therefore of outmost importance for breeding. However, the complexity of these traits allowed only marginal progress. A solution to the current stagnation is expected from innovative molecular tools such as transcriptome analyses providing insight into stress-related gene activity, which combined with molecular markers and expression (e)QTL mapping, may accelerate knowledge-based breeding. SuperSAGE, an improved version of the serial analysis of gene expression (SAGE) technique, generating genome-wide, high-quality transcription profiles from any eukaryote, has been employed in the present study. The method produces 26bp long fragments (26bp tags) from defined positions in cDNAs, providing sufficient sequence information to unambiguously characterize the mRNAs. Further, SuperSAGE tags may be immediately used to produce microarrays and probes for real-time-PCR, thereby overcoming the lack of genomic tools in non-model organisms.
  • Die vorliegende Dissertationsschrift präsentiert die erste Hochdurchsatz-Transkriptom-Analyse der Kichererbse (Cicer arietinum L.), einer Kulturpflanze, die von der Forschung weitgehend vernachlässigt worden ist. Dazu wurden mehr als 270,000 cDNA-Sequenzen, jede 26 Basenpaare (Bp) lang (als „Tags“ bezeichnet), die mehr als 30,000 einzigartige Transkripte (sog. UniTags) repräsentieren, sequenziert, und ihre Reaktionen auf Salz- und Trockenstreß hin untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse werden hier kurz aufgelistet: (1) SuperSAGE als eine Technik zur Charakterisierung des Transkriptoms. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die SuperSAGE-Technik erheblich verbessert. Zusätzlich zur Vereinfachung des ursprünglichen Protokolls wurde SuperSAGE mit einer Sequenziertechnologie der zweiten Generation, der Pyrosequenzierung von 454 Life Sciences (USA), kombiniert, was den Informationsgehalt der Ergebnisse um das 10fache steigerte (bezogen auf die originären SAGE- und LongSAGE-Protokolle). (2) Das Wurzeltranskriptom unter Salzstress. In Wurzeln des salz-toleranten Kultivars INRAT-93 wurden insgesamt 86,919 Tags identifiziert, die sich in 17,918 UniTags gruppieren ließen. Von diesen UniTags wurden durch Salzstreß 2,055 (11%) induziert bzw. 346 (1,93%) reprimiert (jeweils mindestens 8fach). Ein Transkript mit Sequenzähnlichkeit zu einem Enod 40-Protein wurde dabei am stärksten (>250fach) induziert, während Transkripte für Superoxyd-Dismutase, Trypsin-Inhibitor und Extensin immerhin um das 30fache aufreguliert wurden. Als Stoffwechselwege, die unter Salzstreß vorwiegend mit Transkripten versorgt werden, wurden RNA-Biosynthese, post-translationelle Proteinmodifikationen, zelluläre Organisation und Proteinfaltung identifiziert (sog. Gene Ontology Categories, GO-Katagorien). (3) Das Wurzelknöllchentranskriptome unter Salzstreß. In Wurzelknöllchen der gleichen Pflanzen wurden 57,281 26 Bp-Tags sequenziert, die von insgesamt 13,115 UniTags stammen. Auch hier war das Transkript für das Enod4-Protein am stärksten induziert (60fach). Dennoch reagierten Wurzeln und Wurzelknöllchen sehr verschieden auf den gleichen Salzstreß. Zum Beispiel waren von 2,207 bzw. 2,162 mehr als 3.0fach induzierten UniTags aus Wurzeln und Knöllchen nur 363 beiden Organen gemeinsam. (4) Das Wurzeltranskriptom unter Trockenstress. In Wurzeln des dürre-toleranten Kultivars ICC588 waren von 80,012 sequenzierten Transkripten (entsprechend 17,498 UniTags) sechs Stunden nach Beginn des Trockenstresses 388 (2,22%) mindestens 8fach induziert bzw. 589 (3.37%) reprimiert. Ein Transkript, das für ein 14-3-3-Protein kodiert, war am stärksten induziert (45fach). Weiterhin war die Zahl der Transkripte für einExtensin und eine NADP-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase um mehr als das 30fache erhöht. Die GO-Kategorien Translation, Reizbeantwortung, Produktion von Vorläufer-Metaboliten und Energie, und Reaktion auf biotischen Streß waren eindeutig überrepräsentiert. (5) Transkript-Isoformen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden verschiedenste Transkript-Isoformen von Genen entdeckt, die nach Streß aktiviert werden. Zum Beispiel waren Genfamilien, wie etwa die Genfamilie für Rezeptor-ähnliche Kinasen (receptor-like kinases, RLKs) durch mehr als 36 UniTags vertreten, die zudem noch eine differentielle Organ- und Streß-spezifische Regulation aufwiesen. (6) Übertragbarkeit von Transkriptomdaten. Die durch SuperSAGE gewonnenen Resultate waren mit verschiedenen anderen Plattformen wie z.B. quantitativer Echtzeit-PCR (qRT-PCR) oder Microarrays kompatibel, was weitere Anwendungen impliziert, wie z.B. eine funktionelle Genanalyse mit small interfering RNAs (siRNAs), oder eine Expressionskartierung (eQTL mapping). (7) Eine in silico-Analyse der vorliegenden Daten ergab, dass i) Kichererbsenpflanzen auf Salz-und Trockenstreß hin starkem osmotischen und ionischen Streß und darüber hinaus einer Überproduktion von Sauerstoffradikalen (reactive oxygen radicals, ROSs) ausgesetzt sind. ii) in Wurzelknöllchen der Kichererbse vor Einsetzen eines Stresses bereits Transkripte für Proteine der ROS-Kontrolle stärkstens induziert sind, was auf eine vorgebildete ROS-Detoxifizierung schließen lässt. iii) die in dieser Arbeit beobachteten Transkriptionsprofile nach Einsetzen beider Streßformen keine aktive Neusynthese des Streßhormons Abscissinsäure (abscissic acid, ABA) vermuten lassen. Jedoch wurden einige ABA-aktivierte Gene induziert, was wiederum auf eine Rolle alternativer ABA-Quellen in den betroffenen Pflanzen (wie z.B. die Freisetzung von ABA aus Konjugaten) hinweist.

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Metadaten
Author:Carlos Mauricio Molina Medina
URN:urn:nbn:de:hebis:30-67897
Referee:Günter Kahl, Kurt Weising
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/07/21
Year of first Publication:2009
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2009/01/23
Release Date:2009/07/21
Tag:Cicer arietinum; Pflanzenstress; SAGE; Salztress; SuperSAGE; Trockenstress
Cicer arietinum; Drought; Plants; Salt stress; Transcriptome
GND Keyword:Stressreaktion; Oxidativer Stress; Signaling; Pflanzenphysiologie; Pflanzenhormon
HeBIS-PPN:214077748
Institutes:Biowissenschaften / Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht