Molecular genetic causes of columnar growth in apple (Malus x domestica)

The columnar growth habit of apple is interesting from an economic point of view as the pillar-like trees require little space and labor. Genetic engineering could be used to speed up breeding for columnar trees with high fruit quality and disease resistance. For this purpose, this study dealt with the molecular causes of this interesting phenotype. The original bud sport mutation that led to the columnar growth habit was found to be a novel nested insertion of a Gypsy-44 LTR retrotransposon on chromosome 10 at 18.79 Mb. This subsequently causes tissue-specific differential expression of nearby downstream genes, particularly of a gene encoding a 2OG-Fe(II) oxygenase of unknown function (dmr6-like) that is strongly upregulated in developing aerial tissues of columnar trees. The tissue-specificity of the differential expression suggests involvement of cis-regulatory regions and/or tissue-specific epigenetic markers whose influence on gene expression is altered due to the retrotransposon insertion. This eventually leads to changes in genes associated with stress and defense reactions, cell wall and cell membrane metabolism as well as phytohormone biosynthesis and signaling, which act together to cause the typical phenotype characteristics of columnar trees such as short internodes and the absence of long lateral branches. In future, transformation experiments introducing Gypsy-44 into non-columnar varieties or excising Gypsy-44 from columnar varieties would provide proof for our hypotheses. However, since site-specific transformation of a nested retrotransposon is a (too) ambitious objective, silencing of the Gypsy-44 transcripts or the nearby genes would also provide helpful clues.

On the inheritance and mechanism of baculovirus resistance of the codling moth, Cydia pomonella (L.)

Das Cydia pomonella Granulovirus (CpGV, Baculoviridae) wird seit Ende der 1980er Jahre als hoch-selektives und effizientes biologisches Bekämpfungsmittel zur Kontrolle des Apfelwicklers im Obstanbau eingesetzt. Seit 2004 wurden in Europa verschiedene Apfelwicklerpopulationen beobachtet die resistent gegenüber dem hauptsächlich angewendeten Isolat CpGV-M aufweisen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Vererbung und des Mechanismus der CpGV Resistenz. Einzelpaarkreuzungen zwischen einem empfindlichen Laborstamm (CpS) und einem homogen resistenten Stamm (CpRR1) zeigten, dass die Resistenz durch ein einziges dominantes Gen, das auf dem Z-Chromosom lokalisiert ist, vererbt wird. Massernkreuzungen zwischen CpS und einer heterogen resistenten Feldpopulation (CpR) deuteten zunächst auf einen unvollständig dominanten autosomalen Erbgang hin. Einzelpaarkreuzungen zwischen CpS und CpR bewiesen jedoch, dass die Resistenz in CpR ebenfalls monogen dominant und geschlechtsgebunden auf dem Z-Chromosom vererbt wird. Diese Arbeit diskutiert zudem die Vor- und Nachteile von Einzelpaarkreuzungen gegenüber Massernkreuzungen bei der Untersuchung von Vererbungsmechanismen. Die Wirksamkeit eines neuen CpGV Isolates aus dem Iran (CpGV-I12) gegenüber CpRR1 Larven, wurde in Bioassays getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass CpGV-I12 die Resistenz in allen Larvenstadien von CpRR1 brechen kann und fast so gut wirkt wie CpGV-M gegenüber CpS Larven. Daher ist CpGV-I12 für die Kontrolle des Apfelwicklers in Anlagen wo die Resistenz aufgetreten ist geeignet. Um den der CpGV Resistenz zugrunde liegenden Mechanismus zu untersuchen, wurden vier verschiedene Experimente durchgeführt: 1) die peritrophische Membran degradiert indem ein optischer Aufheller dem virus-enthaltenden Futtermedium beigefügt wurde. Das Entfernen dieser mechanischen Schutzbarriere, die den Mitteldarm auskleidet, führte allerdings nicht zu einer Reduzierung der Resistenz in CpR Larven. Demnach ist die peritrophische Membran nicht am Resistenzmechanismus beteiligt. 2) Die Injektion von Budded Virus in das Hämocoel führte nicht zur Brechung der Resistenz. Folglich die die Resistenz nicht auf den Mitteldarm beschränkt, sondern auch in der Sekundärinfektion wirksam. 3) Die Replikation von CpGV in verschiedenen Geweben (Mitteldarm, Hämolymphe und Fettkörper) von CpS und CpRR1 wurde mittels quantitativer PCR verfolgt. In CpS Larven konnte in allen drei Gewebetypen sowohl nach oraler als auch nach intra-hämocoelarer Infektion eine Zunahme der CpGV Genome in Abhängigkeit der Zeit festgestellt werden. Dagegen konnte in den Geweben aus CpRR1 nach oraler sowie intra-hämocoelarer Infektion keine Virusreplikation detektiert werden. Dies deutet darauf hin, dass die CpGV Resistenz in allen Zelltypen präsent ist. 4) Um zu untersuchen ob ein humoraler Faktor in der Hämolymphe ursächlich an der Resistenz beteiligt ist, wurde Hämolymphe aus CpRR1 Larven in CpS Larven injiziert und diese anschließend oral mit CpGV infiziert. Es konnte jedoch keine Immunreaktion beobachtet und kein Faktor in der Hämolymphe identifiziert werden, der Resistenz induzieren könnte. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann festgestellt werden, dass in resistenten Apfelwicklerlarven die virale Replikation in allen Zelltypen verhindert wird, was auf eine Virus-Zell Inkompatibilität hinweist. Da in CpRR1 keine DNA Replikation beobachtet wurde, wird die CpGV Resistenz wahrscheinlich durch eine frühe Unterbindung der Virusreplikation verursacht.Das früh exprimierte Gen pe38 codiert für ein Protein, das wahrscheinlich für die Resistenzbrechung durch CpGV-I12 verantwortlich ist. Interaktionen zwischen dem Protein PE38 und Proteinen in CpRR1 wurden mit Hilfe des Yeast Two-Hybrid (Y2H) Systems untersucht. Die detektierten Interaktionen sind noch nicht durch andere Methoden bestätigt, jedoch wurden zwei mögliche Gene auf dem Z-Chromosom und eines auf Chromosom 15 gefunden, wie möglicherweise an der CpGV Resistenz beteiligt sind.

Novel isolates of Cydia pomonella granulovirus (CpGV): deciphering the molecular mechanism for overcoming CpGV resistance in codling moth (Cydia pomonella)

During the last twenty years, Cydia pomonolla granulovirus (CpGV, Baculoviridae) has become the most important biological control agent for the codling moth (CM) in organic and integrated apple production. All registered products in Europe are based on the isolate CpGV-M, which was discovered 1964 in Mexico. A serious threat to future application of CpGV is the occurrence of CM field populations resistant to CpGV. Since 2003, populations with up to 10,000-fold reduced susceptibility were reported from orchards in Germany, France, Italy, Switzerland, Austria and the Netherlands. A putative alternative to CpGV-M are novel CpGV isolates which are able to overcome CM resistance. This thesis focuses on the identification and characterisation of resistance overcoming CpGV isolates and the analysis of their molecular difference to CpGV-M.rnSixteen CpGV isolates were tested against CM lab strains in bioassays. Hereby, five isolates were identified which were able to completely overcome resistance. The genomes of these isolates were compared to CpGV-M by restriction fragment length polymorphism (RFLP) analysis. To identify the molecular factor responsible for improved virulence of some CpGV isolates, major genomic differences were sequenced and analysed. A 0.7 kb insertion was found in CpGV-I01, -I12 and -E2, but not in other resistance overcoming isolates. Analysis of the insertions sequence revealed that it might be due to a transposition event, but not involved in overcoming resistance. rnFor unequivocal identification of CpGV isolates, a new method based on molecular analysis was established. Partial sequencing of the conserved polyhedrin/granulin (polh/gran), late expression factor-8 (lef-8) and late expression factor-9 (lef-9) genes revealed single nucleotide polymorphisms (SNPs). SNP analysis correlated with the grouping obtained by RFLP analysis. A phylogenetic classification due to different genome types A-E is proposed. Phylogenetic analysis suggested that CpGV-M was the phylogenetically youngest of the tested CpGV isolates.rnWhole genome sequencing of two resistance overcoming isolates CpGV-I12 (type D genome) and -S (type E genome) and CpGV-M (type A genome) was performed. Comparison of the three genomes revealed a high sequence identity. Several insertions and deletions ranging from 1-700 nucleotides (nt) were found. Comparison on open reading frame (ORF) level revealed that CpGV-I12 and -S shared only one protein alteration when compared to CpGV-M: a stretch of 24 nt present in ORF cp24 was not found in any of the resistance overcoming isolates. Cp24 codes for the early gene pe38. Combined with the results of phylogenetic analysis, it is proposed that these 24 nt are a recent insertion into the CpGV-M genome. The role of pe38 in overcoming resistance was investigated by knocking out pe38 of a CpGV-M based bacmid and swapping of CpGV-I12 pe38 of into the k.o. bacmid. When pe38 of CpGV-I12 was inserted into the k.o. bacmid, the infectivity could not be rescued, suggesting that the genomic portion of pe38 might play a role in its function.rnIt can be concluded that the recently observed CpGV resistance in CM is only related to type A genomes. RFLP and SNP analysis provide tools for identifying and characterising different CpGV isolates reliably, a pre-condition for a future registration of CpGV products based on novel CpGV isolates.rnrnrn

Gene expression analysis in ‘Candidatus Phytoplasma mali’-resistant and -susceptible Malus genotypes

Apple proliferation (AP) disease is the most important graft-transmissible and vector-borne disease of apple in Europe. ‘Candidatus Phytoplasma mali’ (Ca. P. mali) is the causal agent of AP. Apple (Malus x domestica) and other Malus species are the only known woody hosts. In European apple orchards, the cultivars are mainly grafted on one rootstock, M. x domestica cv. M9. M9 like all other M. x domestica cultivars is susceptible to ‘Ca. P. mali’. Resistance to AP was found in the wild genotype Malus sieboldii (MS) and in MS-derived hybrids but they were characterised by poor agronomic value. The breeding of a new rootstock carrying the resistant and the agronomic traits was the major aim of a project of which this work is a part. The objective was to shed light into the unknown resistance mechanism. The plant-phytoplasma interaction was studied by analysing differences between the ‘Ca. P. mali’-resistant and -susceptible genotypes related to constitutively expressed genes or to induced genes during infection. The cDNA-Amplified Fragment Length Polymorphism (cDNA-AFLP) technique was employed in both approaches. Differences related to constitutively expressed genes were identified between two ‘Ca. P. mali’-resistant hybrid genotypes (4551 and H0909) and the ‘Ca. P. mali’-susceptible M9. 232 cDNA-AFLP bands present in the two resistant genotypes but absent in the susceptible one were isolated but several different products associated to each band were found. Therefore, two different macroarray hybridisation experiments were performed with the cDNA-AFLP fragments yielding 40 sequences encoding for genes of unknown function or a wide array of functions including plant defence. In the second approach, individuation and analysis of the induced genes was carried out exploiting an in vitro system in which healthy and ‘Ca. P. mali’-infected micropropagated plants were maintained under controlled conditions. Infection trials using in vitro grafting of ‘Ca. P. mali’ showed that the resistance phenotype could be reproduced in this system. In addition, ex vitro plants were generated as an independent control of the genes differentially expressed in the in vitro plants. The cDNA-AFLP analysis in in vitro plants yielded 63 bands characterised by over-expression in the infected state of both the H0909 and MS genotypes. The major part (37 %) of the associated sequences showed homology with products of unknown function. The other genes were involved in plant defence, energy transport/oxidative stress response, protein metabolism and cellular growth. Real-time qPCR analysis was employed to validate the differential expression of the genes individuated in the cDNA-AFLP analysis. Since no internal controls were available for the study of the gene expression in Malus, an analysis on housekeeping genes was performed. The most stably expressed genes were the elongation factor-1 α (EF1) and the eukaryotic translation initiation factor 4-A (eIF4A). Twelve out of 20 genes investigated through qPCR were significantly differentially expressed in at least one genotype either in in vitro plants or in ex vitro plants. Overall, about 20% of the genes confirmed their cDNA-AFLP expression pattern in M. sieboldii or H0909. On the contrary, 30 % of the genes showed down-regulation or were not differentially expressed. For the remaining 50 % of the genes a contrasting behaviour was observed. The qPCR data could be interpreted as follows: the phytoplasma infection unbalance photosynthetic activity and photorespiration down-regulating genes involved in photosynthesis and in the electron transfer chain. As result, and in contrast to M. x domestica genotypes, an up-regulation of genes of the general response against pathogens was found in MS. These genes involved the pathway of H2O2 and the production of secondary metabolites leading to the hypothesis that a response based on the accumulation of H2O2 in MS would be at the base of its resistance. This resembles a phenomenon known as “recovery” where the spontaneous remission of the symptoms is observed in old susceptible plants but occurring in a stochastic way while the resistance in MS is an inducible but stable feature. As additional product of this work three cDNA-AFLP-derived markers were developed which showed independent distribution among the seedlings of two breeding progenies and were associated to a genomic region characteristic of MS. These markers will contribute to the development of molecular markers for the resistance as well as to map the resistance on the Malus genome.

Transkriptom des Meristemgewebes des Kolumnarapfels

Kolumnare Apfelbäume (Malus x domestica) stellen aufgrund ihres auffälligen Phänotyps eine ökonomisch interessante Wuchsform dar. Diese extreme Form des Kurztriebwuchses zeichnet sich durch einen insgesamt sehr schlanken, säulenförmigen Habitus aus, welcher eine dichte Pflanzung und damit einhergehend Ertragssteigerungen im Vergleich zu normalwüchsigen Bäumen ermöglicht. Verursacht wird der Phänotyp durch die Anwesenheit eines einzelnen, dominanten Allels des Columnar (Co)-Gens. Bis auf die approximative Lokalisation des Gens auf Chromosom 10 ist über mögliche Identität und Funktion bislang nichts bekannt.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde ein erster Versuch unternommen, mit Hilfe von Next Generation Sequencing (NGS) Technologien und RNA-Seq Einblicke in das Transkriptom des Sprossapikalmeristems (SAM) kolumnarer Apfelbäume zu gewinnen. So konnte gezeigt werden, dass unabhängig vom Zeitpunkt der Entnahme des Materials mehrere hundert Gene differentiell reguliert werden. Diese lassen sich funktional in mehrere überrepräsentierte Kategorien gruppieren, von denen sich einige wiederum mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren lassen. Durch den Einsatz weiterer Expressionsstudien (Microarrays, qRT-PCR) konnten frühere Ergebnisse bezüglich des Hormonhaushalts auf Genebene bestätigt und neue Erkenntnisse gewonnen werden, die eine mögliche Erklärung für den Phänotyp darstellen. Weiterhin ergab der Vergleich aller durchgeführten Expressionsstudien eine Anreicherung signifikant differentiell regulierter Gene auf Chromosom 10, was auf einen „selective sweep“ hindeutet. Eine potentielle epigenetische Regulation dieser Gene durch das Genprodukt von Co könnte daher möglich sein. Mehr als die Hälfte dieser Gene lassen sich darüber hinaus aufgrund ihrer Funktion direkt mit dem kolumnaren Phänotyp assoziieren.rnDiese Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit des Co-Allels massive Veränderungen in der Genregulation des SAMs mit sich bringt, wobei einige dieser differentiell regulierten Gene mit großer Wahrscheinlichkeit an der Etablierung des kolumnaren Phänotyps beteiligt sind. Auch wenn die Funktion des Co-Genproduktes nicht abschließend geklärt werden konnte, sind doch anhand der Resultate schlüssige Hypothesen diesbezüglich möglich.rn

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.

Optimierung von Transformationsprotokollen und Entwicklung von SSR-Markern für das Kolumnarwachstum beim Apfel

Ziel war es, molekularbiologische Untersuchungen zum Kolumnarwachstum des Apfels durchzuführen. Anhand Sequenzdaten des ‘Golden Delicious’ Genoms (Velasco et al. 2010) wurden drei neue SSR Marker entwickelt. Sie konnten bei untersuchten Geisenheimer Nachkommenschaften zuverlässig den Kolumnarwuchs auf DNA-Ebene detektieren. Zusätzlich wurden von Bai et al. (2012) veröffentlichte Marker untersucht. Die von Bai et al. (2012) gefundenen Grenzen des co-Lokus konnten in dieser Arbeit anhand der Geisenheimer Nachkommenschaften nicht bestätigt werden. Die „linke“ Begrenzung der co-Region wird nach Untersuchungen dieser Arbeit am ehesten von dem Marker Mdo.chr10.11 (Moriya et al. 2012) bei 18,757 Mbp definiert. Die „rechte“ Begrenzung der co-Region wird vermutlich von den Markern Co04R13 (Baldi et al. 2012) und C1753-3520 (Bai et al. 2012) bei 18,905 Mbp definiert, wodurch die potentielle co-Region auf 148 kb auf Chromosom 10 eingegrenzt werden könnte. Für Funktionsanalysen möglicher Kandidatengene des co-Gens wurde ein Agrobakterien-vermitteltes Transformationssystem für die Geisenheimer Apfelselektionen ‘A 14’ und ‘Procats 28’ adaptiert. Zusätzlich wurde der bereits in der Literatur als transformierbar beschriebene Genotyp ‘Jonagold’ (Viss et al. 2003) transformiert. Bei Transformationen der Apfelselektion ‘A 14’ gelang es, transgene Zellen an den Explantaten, am Kallusgewebe und an den Regeneraten zu erzeugen. Bei Transformationen von ‘Jonagold’ wurde ein fast vollständig transgenes Regenerat erzeugt.