Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Heterosis in der Frosttoleranz von Arabidopsis-Kreuzungen. Die genetische Basis von Heterosis, der Verbesserung heterozygoter F1-Hybriden gegenüber den homozygoten Eltern, ist unbekannt. Vermutet werden Dominanz, Überdominanz oder Epistasie. Die zur Kreuzung verwendeten Parentalakzessionen entstammen unterschiedlichen Klimaten und differieren stark in ihrer Frosttoleranz (Lethaltemperatur, LT50). Von 24 reziproken Kreuzungen mit C24 und Col-0 wurden LT50, Prolin- und Zuckergehalt bestimmt. Die Untersuchungen an nicht akklimatisierten und kälteakklimatisierten Pflanzen zeigen häufiger Heterosis in C24- als in Col-Hybriden mit klarem Anstieg nach dem Akklimatisieren. Es besteht eine klare Abhängigkeit der Frosttoleranz zum Zucker-, Prolin- und Flavonoidgehalt, sowie zwischen der Stärke der Heterosis in Frosttoleranz und Metabolitgehalten. GCMS-Messungen bestätigen diese Ergebnisse. Es wurden 40 Metabolite detektiert, von denen viele signifikant mit der Frosttoleranz korrelieren und/oder deren Heterosis mit der Heterosis der LT50 korreliert. Sechs dieser Stoffe sind wichtige Komponenten des Citratzyklus, was auf eine Rolle von Teilen des Zyklus in der Heterosis der Frosttoleranz und eine Veränderung seiner Flussraten hindeutet. / We investigated heterosis in freezing tolerance of 24 reciprocal Arabidopsis-crosses with C24 and Col-0. The underlying genetic mechanisms of Heterosis, the enhancement of F1-hybrids in comparison to their homozygous parents, are unknown. Different mechanisms such as dominance, overdominance or epistasis are suggested. Parental freezing tolerance (LT50) was shown to correlate with the original habitat temperature. Besides the LT50, proline and sugar contents (glc, fru, suc, raf) have been measured on non-acclimated and cold-acclimated plants. Metabolite profiling and flavonoid measurements revealed significant stronger heterosis in C24- than in Col-crosses. Heterosis increases after cold acclimation. Freezing tolerance clearly correlate with the contents of sugars, proline and several flavonols, as well as the strength of heterosis in freezing tolerance with the metabolite content. GCMS-measurement confirmed these results. Fourty metabolites, of which many significantly correlate with LT50 and/or with heterosis in metabolite content and in LT50, were found. Six of these are important compounds in the TCA-cycle. Changes in flux rates of the TCA-cycle could be connected to Heterosis for the first time. Negative correlation between Heterosis in freezing tolerance and metabolite accumulation, points to a role of parts of the cycle in crosses and to a change of flux rates.

Langjährige Forschungsarbeiten konnten die genetische, biochemische und physiologische Basis der Heterosis bis heute nicht klären. Das Promotionsprojekt ist Bestandteil eines längerfristigen Heterosisforschungsprojektes zur molekulargenetischen Charakterisierung der Ursachen von Heterosis. Ziel der Dissertation ist die Analyse von Chromosomenregionen bei der Maus, von denen ein Einfluß auf die Entstehung von Heterosis für Fruchtbarkeit ausgeht. Dabei wurde sowohl die Superdominanz- als auch die Dominanztheorie der Heterosis berücksichtigt. Es wurde eine reziproke Kreuzung der Inzuchtstämme C57BL/6J und Balb/cJ mit anschließendem F1-Interkross zur Erzeugung einer F2-Generation durchgeführt. Von den 948 weiblichen F2-Tieren sind Leistungsgruppen mit extrem hoher und niedriger Wurfgröße gebildet worden, um an diesen Tieren 56 Mikrosatelliten zu analysieren. Die Mikrosatelliten sind im Genom der Maus in einem durchschnittlichen Abstand von 32 cM lokalisiert. 12 von diesen Mikrosatelliten charakterisieren DNA-Loci mit Assoziationen zur Fruchtbarkeit. Entsprechend den Analysen nach der Superdominanztheorie der Heterosis konnte für sechs Mikrosatelliten eine signifikante Beziehung zwischen dem Heterozygotiegrad und der Heterosis für Wurfgröße nachgewiesen werden. Die Mikrosatelliten charakterisieren Regionen auf den Chromosomen 17 (18,2 - 22,3 cM), 18 (50 cM) und 19 (8 - 12 cM). Auf Chromosom 17 befinden sich in diesem Bereich die mit Fruchtbarkeit assoziierenden Gene Ped (Preimplantation embryonic development, 19,5 cM), Cyp21a1 (Cytochrome P450, 21, steroid 21 hydroxylase, 18,7 cM) und H2 (Histocompatibility-2, MHC, 23 cM). Nach dem Dominanzmodell zur Erklärung von Heterosis konnte für zwei Mikrosatelliten eine signifikante Beziehung zwischen dem Anteil Genotypen mit dominantem Leistungsallel und der Heterosis für Wurfgröße ermittelt werden. Die Mikrosatelliten sind auf Chromosom 5 (72 und 88 cM) lokalisiert. In diesen chromosomalen Regionen befinden sich die mit Fruchtbarkeit assoziierten DNA-Loci Pdgfa (Plateled derived growth faktor alpha, 77 cM) und Pmv12 (Polytropic murine leucemia virus-12, 88 cM). / Characterization of heterotic effects in litter size using DNA marker analyses in mice Long dated research could not explain the genetic, biochemical and physiological base of heterosis up to date. The dissertation project is a part of a long term heterosis research project concerning the molecular genetic characterization of the reasons of heterosis. The objective of the dissertation was to find out chromosomal regions of the mouse with a presumable influence on the rise of heterosis in fertility. Both the overdominance and the dominance theory of heterosis have been considered. A reciprocal cross of inbred strains C57BL/6J and Balb/cJ with following F1 intercross was accomplished to establish a F2 generation. From the 948 female F2 animals were formed performance groups with extreme high and low litter sizes to analyse 56 microsatellites on these animals. The microsatellites are located in an average distance of 32 cM in the mouse genome. Twelve of these microsatellites characterize DNA loci with associations to fertility. Corresponding to the analyses based on the overdominance theory of heterosis a significant correlation between the degree of heterozygosity and heterosis in litter size have been demonstrated for six microsatellites. The microsatellites characterize regions on the chromosomes 17 (18.2 - 22.3 cM), 18 (50 cM), and 19 (8 - 12 cM). The DNA loci Ped (Preimplantation embryonic development, 19,5 cM), Cyp21a1 (Cytochrome P450, 21, hydroxylase, 18,7 cM) and H2 (Histocompatibility-2, MHC, 23 cM) showing associations to fertility are located on chromosome 17 in these region. On the base of dominance theory as the reason of heterosis a significant relation between the portion of genotypes with dominant performance allel and heterosis in litter size have been found for two microsatellites. The microsatellites are located on chromosome 5 (72 and 88 cM). The DNA loci Pdgfa (Plateled derived growth factor alpha, 77 cM) and Pmv12 (Polytropic murine leucemia viruses 12, 88 cM) with known associations to fertility are located on these chromosomal regions.