Genetic diversity at the Dhn3 locus in Turkish Hordeum spontaneum populations with comparative structural analyses

We analysed Hordeum spontaneum accessions from 21 different locations to understand the genetic diversity of HsDhn3 alleles and effects of single base mutations on the intrinsically disordered structure of the resulting polypeptide (HsDHN3). HsDHN3 was found to be YSK2-type with a low-frequency 6-aa deletion in the beginning of Exon 1. There is relatively high diversity in the intron region of HsDhn3 compared to the two exon regions. We have found subtle differences in K segments led to changes in amino acids chemical properties. Predictions for protein interaction profiles suggest the presence of a protein-binding site in HsDHN3 that coincides with the K1 segment. Comparison of DHN3 to closely related cereals showed that all of them contain a nuclear localization signal sequence flanking to the K1 segment and a novel conserved region located between the S and K1 segments [E(D/T)DGMGGR]. We found that H. vulgare, H. spontaneum, and Triticum urartu DHN3s have a greater number of phosphorylation sites for protein kinase C than other cereal species, which may be related to stress adaptation. Our results show that the nature and extent of mutations in the conserved segments of K1 and K2 are likely to be key factors in protection of cells.

Cultura de anteras e embriogênese de genótipos selecionados de cevada (Hordeum vulgare L.ssp.vulgare)

A eficiência da técnica de cultura de anteras, em escala comercial, ainda pode ser considerada baixa quando medida em número de plantas duplo-haplóides férteis obtidas para cada antera estabelecida in vitro. Dessa forma, o presente trabalho é pioneiro no estudo detalhado da embriogênese in vitro do micrósporo e do grão de pólen de cevada (Hordeum vulgare L. ssp. vulgare). Com o objetivo de contribuir para o aperfeiçoamento da técnica de cultura de anteras foi analisada a embriogênese, com especial ênfase na etapa da indução, através de análises citológicas e histológicas de anteras cultivadas in vitro. Foram analisadas uma cultivar brasileira de cevada, em comparação com linhagens de duas outras cultivares brasileiras, que foram selecionadas, por seleção divergente para maior ou para menor resposta na indução da rota embriogênica e, respectivamente, para menor ou para maior capacidade de regenerar plântulas verdes. Somente foram estabelecidas em cultivo in vitro as anteras que apresentaram micrósporos e pólens jovens, das linhagens selecionadas da cultivar A-05 (S3A22 e S3A23), e da cultivar BR-2(S3B63 e, apenas na cultura de anteras, S3B61), bem como da cultivar MN-599 (nãoselecionada). Para as análises histológicas, foram fixadas, a cada dois dias, duas anteras, correspondentes a cada fileira da mesma espiga, após o início do cultivo in vitro. As anteras em cultivo e respectivas estruturas multicelulares foram fixadas em FAA 50%, desidratadas em série etílica e incluídas em hidroxietilmetacrilato. Os blocos de resina polimerizada foram secionados longitudinalmente com 3 mm de espessura. Para as análises citológicas foram fixadas, de cada espiga recém-coletada, três espiguetas sendo uma da base, outra do meio e outra do ápice. Após o pré-tratamento à baixa temperatura (5 °C), porém antes do cultivo in vitro, foram fixadas três anteras (amostras utilizadas como controles). A cada três dias, durante o cultivo, três anteras foram fixadas (até 18 dias). As anteras em cultivo e estruturas multicelulares foram fixadas em Farmer e FAA 50%, transferidas após 24 horas para etanol 70%. Na cultura in vitro das anteras houve diferenças entre uma das linhagens da cultivar A-05 em relação a cultivar MN- 599, na produção inicial de estruturas embriogênicas, diferença que desapareceu na produção total. Entretanto, houve diferenças na formação dos xiii embriões: a cv.MN-599 formou embriões bem diferenciados ao passo que a linhagem S3A22 produziu um número aparentemente menor, sendo que os embriões não eram bem diferenciados. A linhagem S3B63 não apresentou embriões até o final da análise histológica. Considerando que a amostra dessa linhagem, mantida em cultura, formou plantas verdes, pode-se propor que a formação de embriões deve ocorrer posteriormente ao desenvolvimento da cv.MN-599. Cabe destacar que houve diferenças significativas entre as cultivares A-05 e BR-2 quanto à regeneração de plântulas verdes. Esses resultados indicam ter havido maior eficiência da seleção em relação à etapa da regeneração. Com relação às categorias classificatórias dos micrósporos e grãos de pólen, constatou-se que desde o início da análise histológica (2o dia de cultivo in vitro) até o final (34o dia), foram observados micrósporos, o mesmo tendo sido observado na análise citológica. Os grãos de pólen multinucleados ocorreram praticamente em todo o período de cultivo in vitro, em ambas análises; não ocorrendo nos controles da citologia (antes do cultivo); os multinucleados foram observados a partir do 3o dia, enquanto que os multicelulares a partir do 4o dia de cultivo. As estruturas multicelulares foram observadas a partir do 8o dia. A quantidade e o tamanho das estruturas multicelulares foram variáveis ao longo da análise histológica, sendo que do 14o ao 20o dia foram encontradas as de maiores dimensões, resultantes da proliferação celular por mitoses sucessivas. A partir do 22o dia (cultivar MN- 599), a ocorrência de estruturas multicelulares no interior dos lóculos da antera diminuiu, predominando o processo de proliferação externo às anteras. Para as linhagens, a partir do 18o dia foram observadas estruturas multicelulares liberadas das anteras. A análise das estruturas multicelulares permitiu classificá-las em quatro categorias: 1. SFD: Sem forma definida; 2. MAC: meristema apical caulinar; 3. MAR: meristema apical radical embrionário adventício; e 4. Embriões. As estruturas amorfas apareceram em maior número, quando comparadas com as outras categorias. Em síntese: as linhagens selecionadas e a cultivar diferiram não apenas no tempo necessário para a formação dos embriões, mas também no desenvolvimento dos mesmos, que foi mais diferenciado na cultivar MN-599, porém sendo observados mais cedo na linhagem S3A22 e S3A23, do que na cultivar MN-599.

Efeitos de potenciais de água no solo, em diferentes estádios fenológicos da cultura da cevada (Hordeum vulgare L.)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Períodos críticos de défices hídricos em cultivares de cevada (Hordeum vulgare L.)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Differenzielle Expression von Tubulin-Genen bei der Entwicklung von Blattzellen der Gerste (Hordeum vulgare L.)

Die Morphogenese einer Pflanzenzelle wird in großem Maße durch die Dynamik kortikaler Mikrotubuli (MT) bestimmt, die auf die Zellwandsynthese Einfluß nehmen. In dieser Arbeit wurden die Transkriptmengen der alpha-Tubulin-Isotypen und des gamma-Tubulin während der Entwicklung des Gerstenblattes analysiert, um Zusammenhänge zu bereits beschriebenen Umwandlungen im kortikalen MT-Cytoskelett der Mesophyllzellen aufzudecken. Erstmals konnte bei einer höheren Pflanze die Genexpression auf RNA-Ebene innerhalb einer Tubulin-Multigenfamilie im Verlauf der Blattentwicklung umfassend dargestellt werden.Es wurden blattspezifische cDNA-Bibliotheken erstellt und mittels RT-PCR homologe DNA-Gensonden für die Screeningprozesse der cDNA-Bibliotheken hergestellt. cDNA-Sequenzen von alpha-, beta-, und gamma-Tubulin konnten isoliert werden. Weitere, weniger abundante alpha-Tubulin-Sequenzen wurden während zusätzlicher Screeningrunden über PCR-Ausschluß häufig vertretener, bereits bekannter Isotypen isoliert.Die cDNA-Sequenzen von insgesamt fünf verschiedenen Isotypen des alpha-Tubulin konnten aufgeklärt werden, drei Isotypen wiesen bis zu fünf im nicht kodierenden 3´-Bereich verkürzte Varianten auf, die aber in ihrer Anzahl deutlich unterrepräsentiert waren. Die abgeleiteten Aminosäuresequenzen umfassten bei drei Isotypen 451 Aminosäuren (AS), zwei Isotypen waren im C-Terminus um eine bzw. um zwei AS kürzer. Die fünf alpha-Tubulin-Isotypen wiesen charakteristische Expressionsmuster auf, die in drei Klassen unterteilbar waren. Die Isotypen HVATUB1 und HVATUB5 (MT-Band-Isotypen) hatten den maximalen Gehalt in Blattbereichen, in denen auch hauptsächlich Mesophyllzellen mit kortikalen MT-Bänderungen vorkommen, wobei HVATUB5 den am schwächsten exprimierte Isotyp darstellte. HVATUB3 (Random-MT-Isotyp) zeigte die stärksten Expressionsraten. Die im Meristem und meristemnahen Bereichen bereits recht hohe Abundanz erreichte erst nach der Zellstreckungszone in einer Blattzone das Maximum, in dem hauptsächlich Mesophyllzellen mit zerstreut angeordneten MT anzutreffen sind. Die Isotypen HVATUB2 und HVATUB4 (MImax-Isotypen) waren in mitotisch aktiven, basalen Blattbereichen dominant.Die cDNA-Sequenz vom gamma-Tubulin der Gerste, HVGTUB, wurde ermittelt; die abgeleitete Aminosäuresequenz bestand aus 469 AS. Das Auftreten einer im nicht kodierenden 3´-Bereich kürzeren Variante konnte erstmals bei pflanzlichem gamma-Tubulin beschrieben werden. Southernblot-Analysen ließen darauf schließen, daß gamma-Tubulin nur als Einzelkopie im Genom der Gerste vorkommt. gamma-Tubulin wurde im mitosereichen Meristem der Blattbasis am stärksten exprimiert. Da die Abnahme der Transkriptmenge weitaus langsamer verlief als die Abnahme der Zellteilungsaktivität, ist anzunehmen, daß gamma-Tubulin neben der Erfüllung von mitose- und zellteilungsspezifischen Funktionen auch eine Rolle im Zusammenhang mit der Dynamik des kortikalen MT-Cytoskeletts spielt. Einen ersten Schritt zur Aufklärung der Genfamilie des beta-Tubulin bei Gerste stellt die Isolierung drei verschiedener cDNA-Sequenzen von beta-Tubulin dar.

Two routes of chlorophyllide synthesis that are differentially regulated by light in barley (Hordeum vulgare L.).

NADPH-protochlorophyllide oxidoreductase (POR; EC 1.6.99.1) catalyzes the only known light-dependent step in chlorophyll synthesis of higher plants, the reduction of protochlorophyllide (Pchlide) to chlorophyllide. In barley, two distinct immunoreactive POR proteins were identified. In contrast to the light-sensitive POR enzyme studied thus far (POR-A), levels of the second POR protein remained constant in seedlings during the transition from dark growth to the light and in green plants. The existence of a second POR-related protein was verified by isolating and sequencing cDNAs that encode a second POR polypeptide (POR-B) with an amino acid sequence identity of 75% to the POR-A. In the presence of NADPH and Pchlide, the in vitro-synthesized POR-A and POR-B proteins could be reconstituted to ternary enzymatically active complexes that reduced Pchlide to chlorophyllide only after illumination. Even though the in vitro activities of the two enzymes were similar, the expression of their genes during the light-induced transformation of etiolated to green seedlings was distinct. While the POR-A mRNA rapidly declined during illumination of dark-grown seedlings and soon disappeared, POR-B mRNA remained at an approximately constant level in dark-grown and green seedlings. Thus these results suggest that chlorophyll synthesis is controlled by two light-dependent POR enzymes, one that is active only transiently in etiolated seedlings at the beginning of illumination and the other that also operates in green plants.

Endophytic colonization of barley (Hordeum vulgare) roots by the nematophagous fungus Pochonia chlamydosporia reveals plant growth promotion and a general defense and stress transcriptomic response

Plant crop yields are negatively conditioned by a large set of biotic and abiotic factors. An alternative to mitigate these adverse effects is the use of fungal biological control agents and endophytes. The egg-parasitic fungus Pochonia chlamydosporia has been traditionally studied because of its potential as a biological control agent of plant-parasitic nematodes. This fungus can also act as an endophyte in monocot and dicot plants, and has been shown to promote plant growth in different agronomic crops. An Affymetrix 22K Barley GeneChip was used in this work to analyze the barley root transcriptomic response to P. chlamydosporia root colonization. Functional gene ontology (GO) and gene set enrichment analyses showed that genes involved in stress response were enriched in the barley transcriptome under endophytism. An 87.5 % of the probesets identified within the abiotic stress response group encoded heat shock proteins. Additionally, we found in our transcriptomic analysis an up-regulation of genes implicated in the biosynthesis of plant hormones, such as auxin, ethylene and jasmonic acid. Along with these, we detected induction of brassinosteroid insensitive 1-associated receptor kinase 1 (BR1) and other genes related to effector-triggered immunity (ETI) and pattern-triggered immunity (PTI). Our study supports at the molecular level the growth-promoting effect observed in plants endophytically colonized by P. chlamydosporia, which opens the door to further studies addressing the capacity of this fungus to mitigate the negative effects of biotic and abiotic factors on plant crops.

Mapping genes for resistance to net form of net blotch and strip rust in barley (Hordeum vulgare L.)

A dihaploid mapping population comprising 65 lines was developed between barley parent varieties Tallon and Kaputar and used to construct a genetic linkage map. This map, comprising 195 amplified fragment length polymorphism and 38 simple sequence repeat markers, was used to identify markers linked to the net form of net blotch (Pyrenophora teres f.sp. teres) and to stripe rust (Puccinia striiformis f.sp. hordei) in barley. The population was screened with five pathotypes of net blotch at the seedling stage in the glasshouse and subjected to a natural inoculation in Hermitage, Queensland. Stripe rust screening was conducted at the adult plant stage in Toluca, Mexico. Analyses of the markers were performed using Mapmanager and Qgene software. One region on chromosome 6H was highly significantly associated with resistance to the net blotch (R2 = 79%). This association was consistent for all pathotypes studied. One region on chromosome 5H was found to be highly significantly associated with resistance to stripe rust (R2= 65%). There are a number of very closely linked markers showing strong associations in these regions, and these markers present an opportunity for marker assisted selection of these traits in barley breeding programs.

Effect of root age on the biomechanics of seminal and nodal roots of barley (Hordeum vulgare L.) in contrasting soil environments

Peer reviewed

Effect of root age on the biomechanics of seminal and nodal roots of barley (Hordeum vulgare L.) in contrasting soil environments

Peer reviewed

Étude de l'intégrité du génome chloroplastique de l'orge (Hordeum vulgare) en culture de microspores isolées

Un enjeu actuel en biotechnologie est d’obtenir des plantes haploïdes doublées par la technique de la culture de microspores isolées (CMI). Pourtant, la CMI génère parfois une proportion importante de plantes albinos, laquelle peut atteindre 100 % chez certains cultivars. Des travaux antérieurs ont indiqué que des remaniements du génome chloroplastique seraient à l’origine de cet albinisme. Afin de mieux comprendre ce processus menant à l’albinisme, nous avons entrepris d’étudier l’intégrité du génome chloroplastique au sein de microspores d’orge et de plantes albinos via une approche de séquençage à grande échelle. L’ADN total extrait de microspores à un stade précoce de la CMI, d’une feuille de la plante-mère (témoin), et de feuilles albinos, a été séquencé et les séquences chloroplastiques ont été analysées. Ceci nous a permis de documenter pour la première fois une diminution de l’ADN chloroplastique chez les microspores. De plus une étude de variations structurales a démontré un abaissement généralisé de la quantité de génomes chloroplastiques chez les microspores. Enfin, d’importants remaniements du génome chloroplastique ont été observés chez les plantes albinos, révélant une forte abondance de génomes chloroplastiques altérés de forme linéaire.

Analyse transcriptomique de l'interaction tripartite "Pseudozyma flocculosa-Blumeria graminis f.sp. hordei-Hordeum vulgare"

Afin d’améliorer nos pratiques agricoles dans le contexte d’une agriculture durable, plusieurs agents de lutte biologique (ALB) ont été développés, testés et sont maintenant utilisés dans le monde pour combattre les pertes de rendements causées par les maladies. Blumeria graminis f. sp. hordei ( Bgh) est l’agent pathogène responsable du blanc de l’orge et peut réduire les rendements de cette culture jusqu’à 40%. Un champignon épiphyte, Pseudozyma flocculosa, a été découvert et identifié en 1987 en association étroite avec le blanc du trèfle. Les chercheurs ont alors remarqué que ce champignon exhibait une forte activité antagoniste contre le blanc en détruisant les structures de l’agent pathogène. Suite à d’autres travaux, il est apparu que ce comportement antagoniste était dirigé contre tous les membres des Erysiphales et semblait lié à la synthèse d’un glycolipide antifongique soit la flocculosine. Toutefois, on n’est toujours pas parvenus à associer l’efficacité de l’ALB avec la production de ce glycolipide. Ces observations suggèrent que d’autres facteurs seraient impliqués lorsque les deux protagonistes, l’ALB et le blanc, sont en contact. L’objectif principal de ce projet était donc de chercher d’autres mécanismes moléculaires pouvant expliquer l’interaction P. flocculosa-blanc et orge, en faisant une analyse transcriptomique complète des trois protagonistes en même temps. L’interaction tripartite a été échantillonnée à différents temps suivant l’inoculation de P. flocculosa sur des feuilles d’orge présentant déjà une intensité de blanc d’environ 50%. Les échantillons de feuilles prélevés ont ensuite été utilisés pour l’extraction de l’ARN qui ont été ensuite transformés en ADNc pour la préparation des librairies. Cinq répliquats ont été effectués pour chaque temps et le tout a été séquencé à l’aide de séquençage par synthèse Illumina HiSeq. Les séquences obtenues (reads) ont ensuite été analysées à l’aide du logiciel CLC Genomics Workbench. Brièvement, les séquences obtenues ont été cartographiées sur les trois génomes de référence. Suite à la cartographie, les analyses d’expression ont été conduites et les gènes exprimés de façon différentielle ont été recherchés. Cette étape a été conduite en portant une attention particulière aux gènes codant pour un groupe de protéines appelées CSEP pour “candidate secreted effector proteins” qui seraient possiblement impliquées dans l’interaction tripartite. Parmi les protéines exprimées de façon différentielle en présence du blanc ou en absence de ce dernier, nous avons pu constater que certaines CSEP étaient fortement exprimées en présence du blanc. Ces résultats sont prometteurs et nous offrent une piste certaine pour l’élucidation des mécanismes impliqués dans cette interaction tripartite.