Bioinformatics software and analyses for inference of gene functional relationships in crops

Abstract

Associating interesting phenotypic traits with causal genes and elucidating the underlying gene functional relationships is of great importance to crop breeding and improvement efforts. To this end, the research presented in this cumulative thesis has included the use of established approaches, such as differential transcriptomics and bulked-segregant analysis, as well as the development of novel bioinformatics solutions for both the automatic analysis of insertional mutagenesis libraries and the in silico prediction of trait-associated gene families. <br /> An efficient bioinformatics software solution called MuWU (Mutant-Seq Workflow Utility) for the identification and annotation of heritable mutations caused by Mutator transposon insertion sites was developed and proved central to the establishment and continuous extension of the world’s largest sequence-indexed insertional mutagenesis library in maize – BonnMu. <br /> Demonstrating the feasibility of a new custom computational pipeline for identification and characterization of underlying causal genes of phenotypes generated as part of BonnMu or via similar efforts, the first acyl-CoA reductase (FAR) in a barley wax mutant was reported. With this, the wax biosynthetic pathway in barley (currently the world’s fourth most cultivated cereal) was further elucidated. Identifying (cuticular) wax-related genes aids crop breeding by offering new avenues to improve resilience against a lack of water caused by droughts or heat stress. <br /> Analyses of gene functional relationships in crops were also performed with the inclusion of environmental stimuli. Using poplar hybrids (Populus x cancescens) the global gene regulatory effects of abiotic stresses were investigated, with special emphasis on the hydrophobic biopolymer suberin. The results indicated that the genetic enhancement of poplar root suberization could be a worthwhile strategy for genetically optimized poplar trees. These could be suitable for cultivation on water-limited and/or salty land that would be unusable for food production, thus being a great benefit to agroforestry. <br /> Lastly, A2TEA (Automated Assessment of Trait-specific Evolutionary Adaptations) an entirely new approach and accompanying software suite for predicting genes important for stress tolerance via inference of evolutionary adaptation events was developed. <br /> In summary, this thesis presents new bioinformatics tools for unraveling gene functional relationships and novel insights into important agronomic traits central to future breeding efforts.

Die Verknüpfung interessanter phänotypischer Merkmale mit kausalen Genen und die Aufklärung der zugrundeliegenden Gen- Funktionsbeziehungen ist von großer Bedeutung für die Züchtung und Verbesserung von Nutzpflanzen. Zu diesem Zweck wurden bei den in dieser kumulativen Dissertation vorgestellten Forschungsarbeiten sowohl etablierte Ansätze wie z.B. differenzielle Transkriptomik und Bulked-Segregant-Analyse eingesetzt als auch neue bioinformatische Lösungen für die automatische Analyse von Insertionsmutagenese Bibliotheken und die in silico Vorhersage von Genfamilien, die mit Merkmalen assoziiert sind, entwickelt. <br /> Eine effiziente Bioinformatik-Softwarelösung namens MuWU (Mutant-Seq Workflow Utility) zur Identifizierung und Annotation von vererbbaren Mutationen, die durch Mutator -Transposon-Insertionsstellen verursacht werden, wurde entwickelt und erwies sich als essenziell für den Aufbau und die kontinuierliche Erweiterung der weltweit größten sequenzindizierten Insertionsmutagenese Bibliothek in Mais – BonnMu. <br /> Zur Demonstration der Nützlichkeit einer neuen maßgeschneiderten computergestützten Pipeline für die Identifizierung und Charakterisierung der zugrundeliegenden kausalen Gene von Phänotypen, die im Rahmen von BonnMu oder durch ähnliche Bemühungen erzeugt wurden, wurde die erste Acyl-CoA Reduktase (FAR) in einer Wachsmutante in Gerste identifiziert. Hierdurch wurde die Wachsbiosynthese in Gerste (der derzeit viertmeist angebauten Getreideart der Welt) weiter aufgeklärt. Die Identifizierung von Genen, die mit (cuticulärem) Wachs in Zusammenhang stehen, hilft der Pflanzenzüchtung, indem neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Wassermangel durch Dürre oder Hitzestress eröffnet werden. <br /> Analysen von Gen-Funktionsbeziehungen in Nutzpflanzen wurden auch unter Berücksichtigung von Umweltreizen durchgeführt. Anhand von Pappelhybriden (Populus x cancescens) wurden die globalen genregulatorischen Auswirkungen von abiotischem Stress untersucht, wobei der Schwerpunkt auf dem hydrophoben Biopolymer Suberin lag. Es wurde aufgezeigt, dass sich die genetische Verbesserung der Pappel-Wurzelsuberisierung als lohnende Strategie für genetisch optimierte Pappelbäume lohnen würde. Diese könnten sich für den Anbau auf wasserarmen und/oder salzhaltigen Böden eignen, die für die Nahrungsmittelproduktion unbrauchbar wären, und können somit für die Agroforstwirtschaft von großem Nutzen sein. <br /> Schließlich wurde mit A2TEA (Automated Assessment of Trait-specific Evolutionary Adaptations) ein neuer Ansatz und eine dazugehörige Software-Suite für die Vorhersage von Genen entwickelt, die für die Stresstoleranz wichtig sind, indem auf evolutionäre Anpassungsereignisse geschlossen wird. <br /> Zusammenfassend ergibt sich, dass in dieser Dissertation sowohl neue Bioinformatik Tools für die Entschlüsselung von Gen-Funktionsbeziehungen als auch neue Erkenntnisse über wichtige agronomische Merkmale vorgestellt werden, die für künftige Züchtungsbemühungen von zentraler Bedeutung sind.