The har1-1 mutant of Lotus japonicus line Gifu is characterised by increased nodulation and significantly inhibited root growth in the presence of its microsymbiont Mesorhizoboium loti (for example strain NZP2235). A sexual cross between the mutant and another L. japonicus genotype Funakura (with wild-type root and nodule morphology) demonstrated Mendelian recessive segregation of both phenotypes (for root and nodule) in 242 F2 individuals. No separation of phenotypes was observed, suggesting a single mutation with pleiotropic effects. Reciprocal grafting showed that the har1-1 controlled phenotype is governed by the shoot. Using a skeletal genetic map of arbitrary molecular markers produced from a Gifu x Funakura cross, the har1-1 locus was positioned between two markers at about 7 and 13 cM distance. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) and transgene sequences were detected by allele-specific PCR in DNA isolated from small (1 mg mass) individual seeds and half-cotyledon of the model legume Lotus japonicus, allowing fast determination of a seedling’s genomic status. This permitted a shortening of the breeding cycle for multi-trait seed lines. Fast neutron mutagenesis of Lotus japonicus wild-type genotype Gifu resulted in the first time isolation of a stable mutant (FNN5-2) unable to form nitrogen-fixing nodules in symbiosis with Mesorhizobium loti, though being infected by mycorrhizal fungi. The mutation behaves as a loss-of-function recessive, and has no other apparent phenotypic effects. Molecular characterization indicates a partial loss of the LjNFR1 LysM type receptor kinase gene. Additionally part of the LjNIN gene (encoding a putative transcription factor needed for nodulation) is also missing. Transcript levels for both genes are severely reduced. As LjNIN and LjNFR1 are in the same chromosomal region we tested whether this terminal portion is lacking. PCR analysis confirms that genes within the relevant interval (such as LjPAL1 (encoding phenylalanine ammonia lyase) and LjEIL2 (encoding an ethylene insensitive-like response regulator)) are present, suggesting that the mutational event induced by the fast neutrons was either a double hit coincidently involving two nodulation-related genes, a major genome rearrangement, or a major segmental inversion. To develop an integrated nodule developmental model based on gene interactions in autoregulation, nodulation and plant hormone response deficient lines, HE double mutants have been built using the har1-1 mutant (hypernodulation and aberrant root) and the ethylene insensitive transgenic line Etr1-1. The homozygous loss-of-function mutant har1-1 has increased nodulation and decreased root growth. Ethylene insensitivity mediated by the transgene 35S::AtETR1-1 restores the normal root growth. The HE double mutants were confirmed by triple response test and allele- or gene-specific PCR. The current results in this study indicate that a) HE double mutants shown the same nodulation pattern as har1-1 and normal root formation as Etr1-1, suggesting that nodule and root control diverge at some stage with root control being ethylene-mediated and the Har1 gene, the orthologue of GmNARK is involved in nodulation. b) Grafting demonstrated that the shoot is the source of ethylene suppression of the har1-1 induced inhibition of root growth. c) The mutated Etr1-1 gene was able to replace AVG in BAP root inhibition; d) IPT-dependent cytokinin overproduction led to aberrant root architecture in har1-1; e) Crosstalk between ethylene and cytokinin in HE double mutant by qRT-PCR.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(人間・環境学) / 甲第22791号 / 人博第962号 / 新制||人||228(附属図書館) / 2020||人博||962(吉田南総合図書館) / 京都大学大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻 / (主査)教授 瀬戸口 浩彰, 教授 市岡 孝朗, 教授 宮下 英明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Human and Environmental Studies / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第20438号 / 農博第2223号 / 新制||農||1049(附属図書館) / 学位論文||H29||N5059(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 植田 充美, 教授 矢﨑 一史, 教授 森 直樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

During this PhD project three technical platforms were either improved or newly established in order to identify interesting genes involved in SNF, validate their expression and functionally characterise them. An existing 5.6K cDNA array (Colebatch et al., 2004) was extended to produce the 9.6K LjNEST array, while a second array, the 11.6K LjKDRI array, was also produced. Furthermore, the protocol for array hybridisation was substantially improved (Ott et al., in press). After functional classification of all clones according to the MIPS database and annotation of their corresponding tentative consensus sequence (TIGR) these cDNA arrays were used by several international collaborators and by our group (Krusell et al., 2005; in press). To confirm results obtained from the cDNA array analysis different sets of cDNA pools were generated that facilitate rapid qRT-PCR analysis of candidate gene expression. As stable transformation of Lotus japonicus takes several months, an Agrobacterium rhizogenes transformation system was established in the lab and growth conditions for screening transformants for symbiotic phenotypes were improved. These platforms enable us to identify genes, validate their expression and functionally characterise them in the minimum of time.<br> The resources that I helped to establish, were used in collaboration with other people to characterise several genes like the potassium transporter LjKup and the sulphate transporter LjSst1, that were transcriptionally induced in nodules compared to uninfected roots, in more detail (Desbrosses et al., 2004; Krusell et al., 2005). Another gene that was studied in detail was LjAox1. This gene was identified during cDNA array experiments and detailed expression analysis revealed a strong and early induction of the gene during nodulation with high expression in young nodules which declines with the age of the nodule. Therefore, LjAox1 is an early nodulin. Promoter:gus fusions revealed an LjAox1 expression around the nodule endodermis. The physiological role of LjAox1 is currently being persued via RNAi.<br> Using RNA interference, the synthesis of all symbiotic leghemoglobins was silenced simultaneously in Lotus japonicus. As a result, growth of LbRNAi lines was severely inhibited compared to wild-type plants when plants were grown under symbiotic conditions in the absence of mineral nitrogen. The nodules of these plants were arrested in growth 14 post inoculation and lacked the characteristic pinkish colour. Growing these transgenic plants in conditions where reduced nitrogen is available for the plant led to normal plant growth and development. This demonstrates that leghemoglobins are not required for plant development per se, and proves for the first time that leghemoglobins are indispensable for symbiotic nitrogen fixation. Absence of leghemoglobins in LbRNAi nodules led to significant increases in free-oxygen concentrations throughout the nodules, a decrease in energy status as reflected by the ATP/ADP ratio, and an absence of the bacterial nitrogenase protein. The bacterial population within nodules of LbRNAi plants was slightly reduced. Alterations of plant nitrogen and carbon metabolism in LbRNAi nodules was reflected in changes in amino acid composition and starch deposition (Ott et al., 2005). These data provide strong evidence that nodule leghemoglobins function as oxygen transporters that facilitate high flux rates of oxygen to the sites of respiration at low free oxygen concentrations within the infected cells. / Pflanzen der Ordnung der Leguminosen sind von weltweiter Bedeutung für Landwirtschaft und die allgemeine Nährstoffzusammensetzung von Böden. Die physiologische Besonderheit der Leguminosen liegt in ihrer Fähigkeit begründet, zusammen mit Bakterien, den sogenannten Rhizobien, eine Symbiose einzugehen, im Zuge derer es möglich wird, molekularen Luftstickstoff zu binden. Dieser biochemische Prozess findet in neu gebildeten Pflanzenorganen, den sogenannten Wurzelknöllchen statt.<br> In den Pflanzenwissenschaften werden Gene, die im Zuge der Infektion von Leguminosen mit Rhizobien reguliert werden und für den Entwicklungsprozess der Knöllchen eine wichtige Rolle zu spielen scheinen, als Noduline bezeichnet. Mit Hilfe von sogenannten Hochdurchsatzverfahren ist es in den letzten Jahren möglich geworden, die differentielle Expression von Tausenden von Genen gleichzeitig zu beobachten. Zu diesen Verfahren gehören sogenannte cDNA Arrays. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden die weltweit zweitgrößten cDNA Arrays für die Modell-Leguminose Hornklee (Lotus japonicus), der in unserer Gruppe als Untersuchungsobjekt verwendet wird, entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode ist es uns möglich, die Regulation von etwa 15.000 Genen gleichzeitig zu untersuchen. Im Zuge von Untersuchungen, die sich mit der Entwicklung von Wurzelknöllchen in Lotus japonicus beschäftigten wurde ein Nodulin, dessen Existenz früher schon einmal beschrieben wurde, noch einmal bestätigt und die Funktion dieses Genes genauer untersucht. Es kodiert für das Enzym Vitamin C Oxidase, das unter Verwendung von molekularem Sauerstoff reduziertes Vitamin C zu einer anderen Form, dem Dehydroascorbat, oxidiert. Dabei wird Wasserstoffperoxid gebildet. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Transkription dieses Gens in infizierten Wurzeln kontinuierlich im Verlauf der Symbiose erhöht, jedoch ist die Transkription in jungen Wurzelknöllchen höher als in alten. Darüber hinaus ist es in nur einer Zellschicht der Wurzelknöllchen, die sehr wichtig für die Entwicklung und tatsächliche Funktion der Knöllchen ist, aktiv. Aus den Beobachtungen kann geschlossen werden, dass dieses Gen eine wichtige Funktion in der Entwicklung der Knöllchen zu spielen scheint und vermutlich zur Zellstreckung und Zellteilung in dieser speziellen Zellschicht beiträgt. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde sich einem zweiten und dem wohl wichtigsten Nodulin der Leguminosen, dem Leghämoglobin, gewidmet. Leghämoglobin ist dem menschlichen Blutbestandteil Hämoglobin sehr ähnlich und erfüllt dieselbe Aufgabe: es bindet Sauerstoff. Dieser Prozess ist für Leguminosen von erheblicher Bedeutung, da die bereits beschriebene Fixierung von molekularem Luftstickstoff durch ein bakterielles Enzym katalysiert wird, das extrem sauerstoffempfindlich ist. Leghämoglobine gelten unbestritten als die am besten charakterisierten Einweiße aus Wurzelknöllchen und Wissenschaftler behaupten seit fast 40 Jahren, dass sie essentiell für die Funktion der Knöllchen sind. Doch dies wurde bis jetzt nie bewiesen.<br> Mit Hilfe einer neuen Methode, die die spezifische Bildung von Eiweißen verhindert, war es uns möglich, die Synthese von Leghämoglobin in Lotus japonicus vollkommen zu unterdrücken. In Folge dessen zeigen die transgenen Pflanzen deutliche Nährstoffmangelerscheinungen, wenn sie ohne zusätzlichen Stickstoff aber zusammen mit Rhizobien angezogen werden. Sie können zwar Wurzelknöllchen bilden, jedoch sind diese kleiner und haben nicht die charakteristische rötliche Farbe, die bei unveränderten Pflanzen gefunden wird. Der Phänotyp dieser transgenen Pflanzen wird ganz eindeutig durch ihre Unfähigkeit hervorgerufen, Luftstickstoff fixieren zu können. Der Grund dafür ist das Fehlen des bakteriellen Enzyms, das für die Fixierung verantwortlich ist. Dieser Verlust wird durch erhöhte Sauerstoffgehalte in den Knöllchen verursacht. Außerdem konnten durch weitere Untersuchungen eine der vermuteten Funktionsmechanismen von Leghämoglobin bestätigt werden. Diese hier präsentierten Untersuchungen beweisen erstmalig die jahrzehnte alte Hypothese, dass Leghämoglobine essentiell für die Stickstofffixierung in Leguminosen sind.