Breeding for abiotic stress tolerance is one of main topics in plant breeding. Oilseed rape breeding programs were for a long time focused on morphological and physiological parameters. In this thesis few experiments focused on identification of genes involved in abiotic stress reaction were performed using RT-qPCR (quantitative reverse transcription PCR). Simultaneously SPR (surface plasmon resonance) method were used as modern optical method facilitating very low native protein concentration even in presence of other substances. This method facilitates quantification of concrete proteins by binding them to specific antigen and in oilseed rape research it was not used by now. ERD10 protein was identified by SPR as protein involved in cold stress reaction (or acclimation). The results show ERD10 accumulation in standard conditions affects dynamics of its accumulation change during cold stress. In case we are searching for genotypes great in acclimation ability even during short and warm autumn SPR method should be suitable method for fast, easy and relatively cheap screening of large number of genotypes in breeding collections. Also genes LTI78, RCI2A, NRP1 and two genes for hypothetical proteins were analysed. Their relative expression during cold stress was markedly increased too. Very little is known about these genes and proteins nowadays therefor it will be interesting topic of our oncoming experiment. Relative expression of genes picked according to MALDI-TOF/TOF analysis results was also tested in microspore embryo regenerants stressed by simulated drought. Genes for lactoylglutathione lyase I, phospholipase D 1 and peroxiredoxin antioxidase were tested. In tolerant cultivar was markedly decreased gene expression of peroxiredoxin antioxidase in standard conditions and early stress. These gene will be subject for next research as potential marker for more tolerant genotypes selection.

Une méthode de lutte efficace contre le phoma du colza est l'utilisation de variétés résistantes mais l'efficacité des résistances spécifiques est peu durable. D'autres méthodes de lutte peuvent être mobilisées : lutte chimique et contrôle cultural (adaptation du travail du sol, de la date et de la densité de semis, ou de l'azote organique). La combinaison spatiale et temporelle des méthodes de lutte génétique, culturale et chimique dans le paysage permet de mieux contrôler la maladie et de préserver l'efficacité des résistances spécifiques et la rentabilité économique, tout en répondant aux exigences environnementales et toxicologiques de la production intégrée. Etant données les échelles d'espace et de temps considérées et la multiplicité des techniques, il est difficile de tester expérimentalement ces stratégies. SIPPOM-WOSR a donc été développé, a Simulator for Integrated Pathogen Population Management, for Winter OilSeed Rape. Il est composé de 5 modules simulant la production d'inoculum, la dispersion des ascospores, la croissance du peuplement végétal et le rendement accessible, l'évolution de la structure génétique des populations pathogènes, et l'infection. Les sorties sont l'indice de sévérité de la maladie et les pertes de rendement associées, le rendement, la marge brute, le coût énergétique des pratiques et l'indice de fréquence de traitement, ainsi que la structure des populations pathogènes, sous l'effet de forces évolutives. Des expérimentations et analyses de données ont été réalisées pour acquérir des connaissances et compléter des formalismes, par exemple sur la récurrence de l'épidémie ou sur l'effet de la résistance quantitative sur la sévérité de la maladie. Une analyse de sensibilité a été réalisée pour étudier la sensibilité des différents modules aux variations des paramètres. Des exemples de simulation montrent l'intérêt de SIPPOM pour tester des stratégies de gestion intégrée et durable d'une maladie.

The B3-domain transcription factor ABI3 is a major regulator of gene expression of seed maturation during Arabidopsis embryogenesis. The napA gene encodes for a Brassica napus 2S storage protein specifically expressed in the embryo during the early and mid-maturation phase (MAT program).The napA promoter contains two essential cis-sequences; the B-box, which functions as an Abscisic acid-responsive element (ABRE) and the RY/G cluster. ABI3 is known to target both these cis-sequences. Several bZIP factors expressed during seed maturation, bZIP12, bZIP38 and bZIP66, as well as a heterodimer of ABI5 and bZIP67, can bind the B-box ABRE in a yeast one-hybrid assay. Amongst them ABI3 and bZIP67 are able to activate synergistically the two cis-elements in a transient protoplast assay. We also show that bZIP67 interacts directly with ABI3 in a yeast two-hybrid assay. Therefore, we hypothesize that i)ABI3 is recruited indirectly to napA through molecular interaction with bZIP67 bound to the B-box ABRE, ii) ABI3 binds directly to the RY-element and interacts with bZIP67 targeted to the adjacent G-box found in the napA RY/G-cluster. We also show that the RY/G cluster is responsible for repression of napA expression during the late maturation LEA program, and for repression of ABI3-mediated transactivation during germination. ABI3 from which the A1 activation domain had been removed, can bind to the napA RY-element in a yeast one-hybrid assay, in contrast to full-length ABI3, suggesting that ABI3 DNA-binding abilities are regulated by auto-inhibition. We propose that during late maturation ABI3 loses ability to bind RY, which results in repression of MAT genes but not of LEA genes that contain fewer RY-elements. In parallel, we show that the B3-domain VAL proteins bind to RY-elements and decrease ABI3-mediated transactivation of the napA RY/G and therefore act as active repressors maintaining silencing of MAT genes during vegetative growth.

Plants often live in association with growth-promoting bacteria, which provide them with several benefits. One such benefit is the lowering of plant ethylene levels through the action of the bacterial enzyme 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase that cleaves the immediate biosynthetic precursor of ethylene, ACC. The plant hormone ethylene is responsible for many aspects of plant growth and development but under stressful conditions ethylene exacerbates stress symptoms. The ACC deaminase-containing bacterium Pseudomonas putida UW4, isolated from the rhizosphere of reeds, is a potent plant growth-promoting strain and as such was used, along with an ACC deaminase minus mutant of this strain, to study the role of ACC deaminase in plant growth-promotion. Also, transgenic plants expressing a bacterial ACC deaminase gene were used to study the role of this enzyme in plant growth and stress tolerance in the presence and absence of nickel. Transcriptional changes occurring within plant tissues were investigated with the use of an Arabidopsis oligonucleotide microarray. The results showed that transcription of genes involved in hormone regulation, secondary metabolism and the stress response changed in all treatments. In particular, the presence of ACC deaminase caused genes for auxin response factors to be up-regulated in plant tissues suggesting a de-repression of auxin signaling in the absence of high levels of ethylene. Also, transgenic plants had longer roots and grew faster than the non-transformed plants and genes involved in the stress response and secondary metabolism were up-regulated. Plants inoculated with bacteria had lower levels of secondary metabolism gene expression and slightly higher stress response gene expression than uninoculated plants. Yet, inoculation with the ACC deaminase-expressing bacterium caused less up-regulation of plant genes involved in stress and defense responses and the down-regulation of genes involved in nitrogen metabolism in comparison to plants inoculated with the ACC deaminase minus mutant. Nickel stress caused the down-regulation of genes involved in photosynthesis and carbon fixation and the up-regulation of genes involved in stress responses, and amino acid and lipid breakdown suggesting energy starvation. When transgenic plants expressing ACC deaminase in the roots were exposed to nickel stress, plant stress symptoms were significantly lower and biomass was significantly higher suggesting that lowering the level of ethylene relieved many of the stress symptoms. In fact, genes involved in photosynthesis, secondary metabolism and nitrate assimilation were up-regulated in transgenic plants compared with non-transformed plants in the presence of nickel, suggesting that ACC deaminase is effective at reducing the severe effects of this metal stress.

Plants often live in association with growth-promoting bacteria, which provide them with several benefits. One such benefit is the lowering of plant ethylene levels through the action of the bacterial enzyme 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase that cleaves the immediate biosynthetic precursor of ethylene, ACC. The plant hormone ethylene is responsible for many aspects of plant growth and development but under stressful conditions ethylene exacerbates stress symptoms. The ACC deaminase-containing bacterium Pseudomonas putida UW4, isolated from the rhizosphere of reeds, is a potent plant growth-promoting strain and as such was used, along with an ACC deaminase minus mutant of this strain, to study the role of ACC deaminase in plant growth-promotion. Also, transgenic plants expressing a bacterial ACC deaminase gene were used to study the role of this enzyme in plant growth and stress tolerance in the presence and absence of nickel. Transcriptional changes occurring within plant tissues were investigated with the use of an Arabidopsis oligonucleotide microarray. The results showed that transcription of genes involved in hormone regulation, secondary metabolism and the stress response changed in all treatments. In particular, the presence of ACC deaminase caused genes for auxin response factors to be up-regulated in plant tissues suggesting a de-repression of auxin signaling in the absence of high levels of ethylene. Also, transgenic plants had longer roots and grew faster than the non-transformed plants and genes involved in the stress response and secondary metabolism were up-regulated. Plants inoculated with bacteria had lower levels of secondary metabolism gene expression and slightly higher stress response gene expression than uninoculated plants. Yet, inoculation with the ACC deaminase-expressing bacterium caused less up-regulation of plant genes involved in stress and defense responses and the down-regulation of genes involved in nitrogen metabolism in comparison to plants inoculated with the ACC deaminase minus mutant. Nickel stress caused the down-regulation of genes involved in photosynthesis and carbon fixation and the up-regulation of genes involved in stress responses, and amino acid and lipid breakdown suggesting energy starvation. When transgenic plants expressing ACC deaminase in the roots were exposed to nickel stress, plant stress symptoms were significantly lower and biomass was significantly higher suggesting that lowering the level of ethylene relieved many of the stress symptoms. In fact, genes involved in photosynthesis, secondary metabolism and nitrate assimilation were up-regulated in transgenic plants compared with non-transformed plants in the presence of nickel, suggesting that ACC deaminase is effective at reducing the severe effects of this metal stress.

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Brassica napus ist eine der wichtigsten Pflanzen in der Landwirtschaft. Pathogene verursachen jährlich große Ertragsverluste. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Interaktionen zwischen der Nutzpflanze Brassica napus bzw. der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und dem phytopathogenen Pilz Verticillium longisporum untersucht. Verticillium longisporum ist ein auf Brassica spezialisierter Pilz, der die sogenannte Verticillium-Welke verursacht. Er dringt in die Wurzeln der Pflanze ein und steigt durch die Leitgefäße in den Spross auf. Die Pflanze zeigt in Folge der Infektion vor allem einen stark verkürzten Spross, Chlorosen und eine Notreife. Für die Experimente wurde Brassica napus und Arabidopsis thaliana mit Verticillium longisporum infiziert. Die Emissionen von Volatilen (volatile organic compounds (VOC)) der Pflanzen wurden sowohl ober- als auch unterirdisch bezüglich sich ändernder VOCs analysiert. Bei der Probennahme wurde darauf geachtet, die Pflanzen nicht zu verletzen und durch Messungen bedingten Stress zu minimieren. Auch während der Messungen der Wurzel-emissionen wurden die Pflanzen nicht aus ihrem Substrat entfernt, sondern innerhalb dessen gemessen. Während sich das Duftspektrum der Wurzeln von Brassica napus nicht änderte, emittierten die Sprosse infizierter Brassica Pflanzen signifikant mehr Dimethyldisulfid, ß-Ionon und ß-Cyclocitral. Bei der Infektion von Arabidopsis thaliana mit Verticillium longisporum hingegen spielten diese VOCs keine Rolle. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Vermutung überprüft, dass sich im Infektionsverlauf ändernde VOCs als Abwehrmoleküle dienen könnten. Hierfür wurde ein Bioassay entwickelt und zwei weitere pathogene Pilze, Gaeumannomyces graminis var. triciti und Sclerotinia sclerotiorum, unterschiedlicher Spezialisierung einbezogen. Wir setzten sie Dimethyldisulfid und ß-Ionon in unterschiedlichen Konzentrationen aus. Sowohl Dimethyldisulfid als auch ß-Ionon zeigten nur eine geringe fungizide Wirkung, gemessen am Myzelwachstum, gegen den Brassica-Spezialisten Verticillium longisporum. Gaeumannomyces graminis var. triciti wurde bereits bei geringeren Konzentrationen gehemmt. Sclerotinia sclerotiorum reagierte nicht oder sogar positiv auf die VOCs. Die (Mikro-) Sklerotienbildung wurde nur bei Verticillium longisporum beeinflusst. ß-Ionon unterstützte diese Entwicklung signifikant.

Bei der routinemäßigen Anwendung der Mikrosporenkultur zur Herstellung doppelt-haploider Linien kommt es bis heute zu Engpässen in der praktischen Rapszüchtung. Die Hauptprobleme stellen eine unzureichende Colchizin-induzierte Diploidisierungsrate und eine niedrige direkte Regeneration von Pflanzen aus Mikrosporen-Embryonen dar. Ein hoher Prozentsatz an Rapsembryonen aus Mikrosporenkultur durchläuft den Prozess der sekundären Embryogenese, der eine zeitintensive Subkultivierung erfordert. Hierbei werden die direkten Sprossansätze wiederholt von undifferenziertem Gewebe freigeschnitten bis eine Überführung in Erde und die letztendliche Regeneration zu doppelt-haploiden Pflanzen möglich ist. Die vorliegende Doktorarbeit besteht aus zwei Studien, die sich mit dem Thema: „Methodische Verbesserungen der Mikrosporenkultur in Brassica napus L.“ auseinandersetzen. Ziel der ersten Studie war die Erhöhung der Colchizin-induzierten Diploidisierungsrate von Mikrosporen ohne die Regeneration von Pflanzen aus den Mikrosporen-Embryonen zu verringern und damit die Entwicklung zu doppelt-haploiden Pflanzen zu verzögern. Aufgrund der hohen Toxizität von Colchizin wurden die weniger toxischen Mitosehemmstoffe Amiprophos-methyl (APM) und Pronamid, die eine höhere Affinität zu Pflanzentubulin als Colchizin besitzen, allein und in Kombination mit Colchizin untersucht. Eine Kombination dieser Mitosehemmstoffe führte zu keiner effizienten Diploidisierungsrate; demnach konnte ein synergistischer Effekt ausgeschlossen werden. Die acht untersuchten Winterrapsgenotypen erzielten eine Diploidisierungsrate von 40% bis 64%. Die Mitosehemmstoff-Behandlungen der isolierten Mikrosporen variierten hierbei zwischen 33% (3 µM APM, 72 Stunden) und 70% (25 µM Colchizin, 72 Stunden). Ein signifikanter Einfluss der Mitosehemmstoffe auf die Konversionsrate der Mikrosporen-Embryonen konnte nicht nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der Genotypen konvertierten 14% bis 23% direkt. Unterschiedliche getestete Colchizinkonzentrationen (250, 150, 125, 25 µM) zeigten für 4 untersuchte Genotypen eine Colchizin-induzierte Diploidisierungsrate von 58% bis 66%, wobei die Behandlung 250 µM Colchizin für 48h die höchste Rate aufwies. Ein signifikanter Einfluss von Dimethylsulfoxid (DMSO), das oftmals als Lösungsmittel der angewendeten Mitosehemmstoffe verwendet wird, konnte jedoch nicht in den untersuchten Konzentrationen (0,3% und 3%) in Kombination mit der Colchizin-Behandlung (250 µM, 72 Stunden) auf die Diploidisierungsrate und die direkte Konversionsrate nachgewiesen werden. Weiterhin wurden 17 Winterrapsgenotypen bezüglich ihrer spontanen und ihrer Colchizin-induzierten Diploidisierungsrate untersucht und deren Konversionsrate der Mikrosporen-Embryonen zu Regeneraten mit direkten Sprossansätzen bestimmt. Die ausgewählten Genotypen enthielten sowohl Sorten als auch F1–Hybriden. Die spontan-induzierte Diploidisierungsrate zeigte eine große Variation von 15% bis 69%. Im Vergleich dazu erreichte die Colchizin-induzierte Diploidisierungsrate Werte von 40% bis 83%. Die Mikrosporen-Embryonen der getesteten Genotypen wiesen ebenfalls eine große Spannbreite bezüglich ihrer direkten Konversionsrate auf. Die Ergebnisse zeigten keinen signifikanten Einfluss der Mitosehemmstoff-Behandlung auf den Regenerationserfolg der Mikrosporen-Embryonen zu Pflanzen. Sowohl die beobachtete spontane und die Mitosehemmstoff-induzierte Diploidisierung als auch die Konversionsrate der Mikrosporen-Embryonen zu Regeneraten mit direkten Sprossansätzen waren stark Genotyp-abhängig. Ziel der zweiten Studie war die Erhöhung der direkten Regeneration der Mikrosporen-Embryonen zu Pflanzen trotz der starken Abhängigkeit der Genotypen. Zunächst wurde der Einfluss von zehn unterschiedlichen Sprossregenerationsmedien mit und ohne Phytohormone (Gibberellinsäure, 6-Benzylaminopurin, 3-Indolylbuttersäure) und eine 14-tägige Kältebehandlung bei 4 °C (Lichtthermostat) auf die direkte Konversionsrate der Mikrosporen-Embryonen von 5 Winterrapsgenotypen untersucht. Die 14-tägige Kältebehandlung erfolgte sowohl unter acht Stunden Licht als auch in Dunkelheit. Die Standardkultivierung der Mikrosporen-Embryonen erfolgte im Kulturraum bei 26 °C und 12 Stunden Licht. 13% bis 39% der Mikrosporen-Embryonen konvertierten direkt, wobei die höchste Rate von 43% nach Kultivierung der Embryonen auf Gamborg B5-Medium mit 0.1 mg/L Gibberellinsäure resultierte. Die Mittelwerte der Konversionsrate der Mikrosporen-Embryonen zu Regeneraten mit direkten Sprossansätzen aller untersuchten Genotypen und Kulturmedien wurden durch die 14-tägige Kältebehandlung (28%) gegenüber der Standardkultivierung (14%) signifikant erhöht. Nachfolgend wurde der Einfluss der vier effizientesten Sprossregenerationsmedien und eine 14-tägige Kältebehandlung bei 1.5 °C und bei 4 °C (Lichtthermostat) auf die Konversionsrate von Mikrosporen-Embryonen von 13 Winterrapsgenotypen untersucht. Die Kältebehandlung bei 1.5 °C erfolgte unter Lichtabwesenheit als auch unter acht Stunden Licht. Die Kältebehandlung bei 4 °C erfolgte dagegen in Dauerlicht und Dauerdunkel. Zwischen 29% und 76% der Mikrosporen-Embryonen konvertierten direkt. Im Vergleich zur Kultivierung unter Standardbedingungen konnte mit der Kältebehandlung eine signifikante Erhöhung erzielt werden (von 21% auf bis zu 71%). Nach vorheriger Kultivierung der Mikrosporen-Embryonen auf den unterschiedlichen Kulturmedien variierte die Konversionsrate zwischen 50% (MS) und 60% (B5 mit 0.1 mg/L Gibberellinsäure). Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass trotz einer vorherrschenden starken Abhängigkeit vom Genotyp, die direkte Konversionsrate der Mikrosporen-Embryonen mit Kältebehandlung (1.5 °C im Dauerdunkel) signifikant erhöht werden konnte. Fast alle Genotypen zeigten Konversionsraten der Mikrosporen-Embryonen von über 70%. Es ist demnach möglich die sekundäre Embryogenese und die damit verbundene zeitintensive in vitro-Subkultivierung erheblich zu reduzieren, und dadurch den Entwicklungsprozess von doppelt-haploiden Linien zur Verwendung in der praktischen Rapszüchtung zu beschleunigen.

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