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DNA marker development for plant genetic analysis

Silvia Andrea Fluch

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Mary Rosabella Samuel

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DOI

10.25365/thesis.11515

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29192.81517.254953-4

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Als Molekulare Marker werden kurze DNA Abschnitte herangezogen, die man für die Untersuchung und Markierung einer bestimmten Stelle im Genom eines Individuums verwendet. Immer wenn in dieser Region zwischen zwei Individuen Unterschiede auftreten, dann kann die Region als molekularer Marker verwendet werden. In den letzten zwanzig Jahren hat die Entwicklung solcher genetischen Marker die biologische Forschung in Botanik, Forst- und Landwirtschaft revolutioniert. Molekulare Marker fanden Anwendung in Populationsgenetik und Genotypisierung, in Züchtung und Taxonomie. Die Untersuchung van Individuen mittels genetischem Fingerprint ergab wertvolle einblicke in Populationsstrukturen und die bestehende genetische Vielfalt. Je nachdem, welches Genom man untersucht (Organellen, Nucleus), haben die angewandten molekularen Marker unterschiedliche Aussagekraft und es können verschiedene Fragestellungen bearbeitet werden. Während mit Organellenmarkern beispielsweise postglaziale Wanderungsrouten von Spezies rekonstruiert werden können, dienen Kern-Marker unter anderem zur Untersuchung von Verwandschaftsverhältnissen bei Einzelindividuen. Die gegenständliche Arbeit trägt mit ihren Entwicklungen zur Identifizierung neuer Marker aus den drei verschiedenen in Pflanzen vertretenen Genomen bei, wodurch verschiedene Pflanzengenetische Fragestellungen behandelt werden können. Um die genetische Vielfalt im, in den Alpen vorkommenden, Almrausch (Rhododendron ferrugineum und Rhododendron hirsutum) untersuchen zu können, wurden Microsatellitenregionen mittels aus dem Kerngenom mittels, für Dinukleotide angereicherte Genbanken isoliert. Die so neu identifizierten Kern-Marker wurden in weiterer Folge für populationsgenetische Untersuchungen in Österreichischen und Italienischen Reliktbeständen der Alpenrose verwendet. Die gleiche Anreicherungsmethode wurde angewendet, um SSR Regionen für die Unterscheidung von Paeonia suffruticosa Sorten einer Sammlung in Schönbrunn zu entwickeln. Da die Anreicherungsmethode nicht die gewünschten Ergebnisse brachte, wurde für Paeonia die Datenbankanalyse von ESTs zur Anwendung gebracht, bei der bereits publizierte Gensequenzen für die Identifikation von SSRs in exprimierten Genen herangezogen werden. Dadurch konnten weitere SSRs identifiziert werden, mit denen eine Unterscheidung der Paeonia Individuen möglich war. Mit der gleichen Methode wurden auch 24 EST-SSRs für Picea abies charakterisiert, die durch den Umstand, dass sie in exprimierten Genen liegen, auch zusätzliche Information über funktionelle Variation in den untersuchen Probensets geben können. Für Quercus robur L. und Quercus petrea L. wurden mittels standard Labormethoden sowohl SSRs als auch VNTRs isoliert welche für die Untersuchung der genetischen Vielfalt Österreichischer Eichen als auch, gemeinsam mit anderen molekularen Markern, für die Herstellung einer genetischen Karte einer Französischen Eichenkreuzung verwendet wurden. Microsatelliten sind hypervariable DNA Regionen im Genom, die leicht mutieren. Durch die Untersuchung von Pflanzenmaterial, das mittels Gewebekultur vermehrt wurde, konnte gezeigt werden, dass sich Microsatelliten sehr gut für die Detetktion von somaklonaler Variation, hervorgerufen durch Stress, eignen. Maternal vererbte Markersysteme wurden sowohl für Pappel (Populus nigra L) als auch für Fichte (Picea abies) entwickelt. Um die bestehende genetische Vielfalt in Europäischen Schwarzpappelherkünften zu untersuchen, wurde ein Chloroplastenbasiertes Markersystem entwickelt, das dazu diente, das postglaziale Wanderungsverhalten der Pappel zu untersuchen. Bei der Fichte untersucht das neu entwickelte maternale Markersystem Unterschiede in der mitochondrialen DNA der zu untersuchenden Proben. Mit dem neuen Markersystem konnte für Fichte moderate genetische Variation in 37 österreichischen Herkünften identifiziert werden. Die neu entwickelten nukleären sowie Organellen-Marker stellen wertvolle Werkzeuge zur Untersuchung der genetischen Vielfalt in natürlichen Populationen sowie für Zucht- und Auswahlprogramme dar. Durch die Verwendung von DNA basierten molekularen Daten kann die genetische Struktur von Populationen und auch der Genfluss zwischen Populationen gemessen werden. Die Marker dienen auch, so wie im Fall der Pappel, dazu, natürlich auftretendes klonales Material zu identifizieren. Mit den neuen Markern ist es möglich, spezifische populationsgenetische als auch phylogeographische Fragestellungen zu beantworten, und, so wie bei Rhododendron, Entscheidungen über Konservierungsmaßnahmen getroffen werden.

Abstract

(Englisch)

Genetic markers use short DNA sequences in order to investigate and label a particular locus in the genome of a given individual. Whenever this particular locus shows sequence differences between two individuals, this region can be used as molecular marker. The development of a variety of DNA-based markers in the past twenty years has revolutionized biological, forestry and agricultural science. Molecular markers have demonstrated their usefulness for plant genotyping and population genetic analysis. Genome characterization by DNA-fingerprinting has generated valuable information on population structure and molecular genetic diversity. Depending on the compartmental origin of the genomic information (organelle, nucleus), molecular markers can be used for answering different questions. While organellar markers could serve for postglacial migration studies, nuclear markers can be used for studying biodiversity and paternity analysis on the level of the single individual. With the work presented here, we contributed to the marker development in different areas of plant genomics, and proved the applicability of the different marker types targeting the three different genomes (nuclear, mitochondrial, chloroplast) available in plants. In order to investigate the genetic variation present in Alpine Rhododendron populations, nuclear SSRs were developed for Rhododendron ferrugineum and Rhododendron hirsutum by generating genomic libraries enriched for dinucleotide repeats. These newly generated markers subsequently were used to investigate relict populations of the alpine rose in Italy and Austria. The same method was applied to isolate SSR regions for the identification of Paeonia suffruticosa varieties available in a germ plasm collection in Schönbrunn. In the latter case, also an in silico approach was used in order to identify SSRs present in publicly available ESTs (sequence information on Expressed Sequence Tags). By this approach, 5 additional SSR markers for Paeonia suffruticosa as well as 24 EST-SSRs for Picea abies could be generated in relatively short time. These EST-SSRs have added value as they are part of expressed sequences and thus can be used for measuring the functional diversity in Norway spruce as well as Paeonia. For Quercus robur L. and Quercus petrea L. SSRs as well as VNTRs were isolated by a standard wet lab approaches and used for diversity measurements in Austrian populations of oak. In addition, these markers, together with RAPDs, RFLPs and SCARs were mapped on a genetic map of a French controlled oak cross. Due to their hypervariable nature and sensitivity to mutations, nuclear microsatellites for oak were used to test for somaclonal variation occurring in tissue cultue material over time. With this approach we could prove the usefulness of the SSRs for testing the genome stability under stress. Maternally inherited markers were developed for Populus nigra L. and Picea abies. In order to assess the genetic diversity in Populus nigra L. sampled throughout Europe, a chloroplast DNA based marker system was developed and applied. For Norway spruce on the other hand, the maternally inherited mitochondrial genome was targeted for marker development. Using these new mt markers for Norway spruce it could be shown that there is moderate genetic variation in Austrian Norway spruce strands, not detected before. The newly developed nuclear as well as organellar markers are valuable tools for the assessment of genetic diversity in natural populations as well as plant selection programs. Using this DNA based molecular information it is possible to analyze the genetic structure of populations, to estimate gene flow between populations and, as in the case of poplar, to identify naturally occurring clonal material. With these new markers, specific population genetic as well as phylogeographical questions can be answered, and, as in the case of rhododendron, decisions on conservational measures taken.

Autor*innen

Silvia Andrea Fluch

Haupttitel (Englisch)

DNA marker development for plant genetic analysis

Paralleltitel (Deutsch)

DNA Markerentwicklung für pflanzengenetische Untersuchungen

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

217 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Birgit Ziegenhagen ,

Josef Gloessl

Klassifikationen

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.43 Pflanzengenetik ,

42 Biologie > 42.59 Botanik: Sonstiges

AC Nummer

AC07806032

Utheses ID

10392

Studienkennzahl

UA | 091 | 441 | |

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