Molekulare Analyse des Kolumnar-Gens beim Apfel (Malus x domestica)

Das Kolumnarwachstum beim Apfel (Malus x domestica) geht auf eine in den frühen 1960er Jahren entdeckte Zufallsmutation zurück. Die daraus resultierende Sprossmutante ist von großem wirtschaftlichem Interesse, da diese sehr kompakte Wuchsform unter anderem zu einer enormen Ertragssteigerung durch eine hohe Pflanzdichte der Bäume führt. Das Ziel der Arbeit ist die Entschlüsselung der molekularen Ursache dieser Mutation, die bisher weitgehend ungeklärt ist. Die Analyse wurde durch die Erstellung einer Referenzsequenz der Co-Zielregion einer kolumnaren Apfelsorte sowie durch die Konstruktion eng gekoppelter molekularer Marker realisiert. Durch die Konstruktion von genomischen Apfel-BAC-Bibliotheken mit mehrfacher Genomabdeckung und die Erstellung geeigneter Sonden wurde die Co-Region kloniert und deren Sequenz bestimmt. In Kombination zu dieser klassischen positionellen Klonierungsstrategie wurden genomische Illumina „mate pair“-Bibliotheken erstellt, sequenziert und bioinformatisch analysiert, um die genomische Region vollständig zu annotieren. Somit wurde eine vollständige genomische Referenz der Co-Region einer kolumnaren Apfelsorte erstellt, die die Grundlage für weitere Analysen bildet. Auf Basis dieser Referenz konnte die Co-Mutation in Form der Integration des LTR-Retrotransposons Gypsy-44 im kolumnaren Chromosom an Position 18,79 Mbp auf Chromosom 10 lokalisiert werden. Darüber hinaus konnten Transposon-basierende molekulare Marker erstellt werden, die eine verlässliche Genotypisierung von Apfelbäumen in Bezug auf das Kolumnarwachstum ermöglichen und dies unabhängig von der verwendeten Apfelsorte. Der genaue Wirkmechanismus von Gypsy-44, der zur Ausprägung dieses extremen Phänotyps führt, ist bislang unklar. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die molekulare Ursache für das kolumnare Wachstum aufgeklärt werden konnte und zudem die ersten molekularen Marker erstellt wurden, die eine sortenunabhängige Differenzierung zwischen kolumnaren und nicht kolumnaren Apfelbäumen ermöglichen.

Columnar growth of apple (Malus x domestica) originated from a spontaneous mutation in the early 1960s. Because of its very compact growth character, the resulting bud sport mutant is of great economical interest. The opportunity for high-density planting leads to an increased yield per hectare. The aim of this work is the identification of the molecular reason for this mutation which still remains unclear. In order to analyze the Co-region a reference-sequence of this region of a columnar apple tree was constructed and closely linked molecular markers were established. By the construction of apple-BAC-libraries representing several apple tree genome equivalents and suitable probes the Co-region was cloned and sequenced. This classical positional cloning approach in combination with the analysis of genomic Illumina mate pair datasets led to a completely annotated genomic region of a columnar cultivar. This reference-sequence of the entire Co-region was the basis for further analysis. The Co-mutation could be identified as an integration of the LTR retrotransposon rnGypsy-44 at position 18,79 Mbp on chromosome 10 in the apple genome. Furthermore transposon-based molecular marker could be established which allow a reliable genotyping of apple trees relating to the columnar growth habit. These are the first molecular markers which are absolutely reliable despite the used kind of apple. The mechanism how Gypsy-44 is involved generating the columnar phenotype is not yet clear. In summary, the molecular reason for the columnar growth habit could be identified as an integration of a Gypsy-44 retrotransposon at the specific position mentioned above and in addition molecular markers could be generated for a reliable genotyping of columnar and non-columnar apple trees. rn