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Molecular characterization of the maize (Zea mays L.) AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID (Aux/IAA) gene family
(2014-10-17)
The phytohormone auxin is an important molecular component in plant signal transduction. As an endogenous signaling molecule, auxin controls many aspects of plant development. Members of the AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID (Aux/IAA) gene family play an important role in auxin signal transduction. <br /> The rum1 (rootless with undetectable meristem 1) gene encodes the Aux/IAA protein ZmIAA29, which is to date the only Aux/IAA member with an assigned function in plant development in maize. It controls the initiation of the embryonic seminal roots and post-embryonic lateral roots of the primary root. Based on the function of rum1 in root development a comprehensive characterization of the Aux/IAA gene family was initiated in this study.<br /> At the beginning of this study 31 Aux/IAA genes were known. A homology search for novel Aux/IAA sequences in the latest maize genome assembly version identified three unknown Aux/IAA genes (ZmIAA32 - GRMZM2G366373, ZmIAA33 – GRMZM2G359924, ZmIAA34 – GRMZM2G031615). Phylogenetic reconstructions of the 34 Aux/IAA proteins revealed two classes of Aux/IAA proteins that can be distinguished by alterations in their domain III. Moreover, seven pairs of paralogous maize Aux/IAA proteins were discovered via syntenic comparisons. Comprehensive root-type and tissue-specific expression profiling revealed unique expression patterns of the diverse members of the gene family. The Aux/IAA genes displayed their highest expression in crown roots followed by seminal and primary roots. Lateral roots of the primary root displayed the lowest Aux/IAA expression level. Based on the results of the phylogenetic and expression studies five members of the maize Aux/IAA gene family, ZmIAA2, ZmIAA11, ZmIAA15, ZmIAA20 and ZmIAA33, were functionally characterized. Alternative protein variants were generated via the introduction of specific point mutations in the degron sequence by substituting the first proline by serine or the second proline by leucine. In general, Aux/IAA proteins are short-lived and localized in the nucleus. The five Aux/IAA protein half-life times ranged between ~11 min (ZmIAA2) to ~120 min (ZmIAA15) while the mutated forms were more stable. Subcellular localization studies revealed that ZmIAA2, ZmIAA11 and ZmIAA15 and their mutated forms were exclusively localized in the nucleus, whereas ZmIAA20 and ZmIAA33 were detected in nucleus and cytoplasm. Furthermore, all five maize Aux/IAA proteins were acting as active repressors. In addition, interaction of RUM1 with all five Aux/IAA proteins was detected, but only ZmIAA15 and ZmIAA33 interacted with the RUM1 paralog RUL1. <br /> In summary, the analyzed Aux/IAA genes displayed root-, tissue- and development specific expression patterns. Furthermore, the selected Aux/IAA proteins revealed different half-life times together with various activity of their repressor function. All five Aux/IAA proteins were localized in the nucleus; ZmIAA20 and ZmIAA33 were additionally expressed in the cytoplasm. Finally, specific protein interactions were identified between the selected Aux/IAA proteins with RUM1 and RUL1....
Dem Phytohormon Auxin ist ein wichtige Komponente der pflanzlichen Signaltransduktion. Als endogener Signalstoff steuert Auxin vielfältige Aspekte der pflanzlichen Entwicklung. Mitglieder der AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID (Aux/IAA) Genfamilie spielen eine zentrale Rolle in der Auxin-Signaltransduktion.<br /> In Mais kodiert das Gen rum1 (rootless with undetectable meristem 1) das Aux/IAA Protein ZmIAA29, dem bislang als einzigem Aux/IAA Protein eine Rolle in der Entwicklung zugeschrieben werden konnte. Es kontrolliert die Initiation der embryonalen Seminalwurzeln und der postembryonalen Lateralwurzeln der Primärwurzel. Ausgehend von diesem Befund wurde in dieser Arbeit die Aux/IAA Genfamilie von Mais genauer charakterisiert.<br /> Zu Beginn dieser Arbeit waren 31 Aux/IAA Gene im Maisgenom beschrieben. Eine Homologiesuche in der aktuellsten Annotation des Maisgenoms führte zur Identifizierung von drei weiteren Aux/IAA Genen (ZmIAA32 – GRMZM2G366373, ZmIAA33 – GRMZM2G359924 und ZmIAA34 – GRMZM2G031615). Phylogenetische Analysen aller 34 Aux/IAA Proteine ergaben eine strukturelle Aufspaltung des Stammbaums in zwei Klassen aufgrund von Unterschieden der Aminosäuresequenz in der konservierten Domäne III. Insgesamt konnten durch Syntänievergleiche sieben paraloge Aux/IAA Paare bestimmt werden. Die Aux/IAA Gene zeigten unterschiedliche Expressionsmuster in verschiedenen Wurzeltypen. Im Durchschnitt war das Expressionsniveau der Aux/IAA Gene in den Kronwurzeln am höchsten, gefolgt von den Seminal- und Primärwurzeln. Die geringste Expression wurde in den Lateralwurzeln der Primärwurzel gemessen. Basierend auf den Ergebnissen der phylogenetischen Untersuchungen und der Expressionsanalysen wurden die Aux/IAA Gene ZmIAA2, ZmIAA11, ZmIAA15, ZmIAA20 und ZmIAA33 für die weitere funktionelle Charakterisierung ausgewählt. Alternative Varianten dieser Proteine wurden durch zielgerichtete Punktmutationen erzeugt, die dazu führten, dass in den Degron-Sequenzen der fünf Aux/IAA Proteine das primäre Prolin durch Serin und das sekundäre Prolin durch Leuzin ersetzt wurden. Aux/IAA Gene kodieren für kurzlebige Proteine, welche im Kern lokalisiert sind. Die gemessenen Halbwertszeiten der untersuchten wildtypischen Aux/IAA Proteine betrugen zwischen ~11 Minuten (ZmIAA2) und ~120 Minuten (ZmIAA15). Die Punktmutationen führten zu einer deutlichen Stabilisierung der Aux/IAA Proteine im Vergleich zu den Wildtypvarianten. Die Wildtyp- sowie die mutierten Proteine von ZmIAA2, ZmIAA11 und ZmIAA15 wurden ausschließlich im Kern nachgewiesen. Dagegen waren die Proteine ZmIAA20 und ZmIAA33 in Kern und Zytoplasma lokalisiert. Außerdem konnte gezeigt werden, dass alle Aux/IAA Kandidatengene als aktive Repressoren fungieren. Weiterhin konnte eine Wechselwirkung der fünf untersuchten Aux/IAA Proteine mit RUM1 gezeigt werden, jedoch interagierten nur ZmIAA15 und ZmIAA33 mit dessen Paralog RUL1.<br /> Zusammenfassend konnte nachgewiesen werden, dass die untersuchten Aux/IAA Gene wurzel-, gewebe- und entwicklungsspezifische Expressionsmuster aufwiesen, darüber hinaus zeigten die von diesen Genen kodierten Proteine unterschiedliche Stabilitäten sowie eine unterschiedlich starke Repressoraktivität. Während alle fünf Aux/IAA Proteine im Kern lokalisiert waren, zeigten ZmIAA20 und ZmIAA33 zusätzlich Expression im Zytoplasma. Schließlich wurden spezifische Protein-Protein-Interaktionen der Aux/IAA Proteine mit RUM1 und RUL1 identifiziert....
Dem Phytohormon Auxin ist ein wichtige Komponente der pflanzlichen Signaltransduktion. Als endogener Signalstoff steuert Auxin vielfältige Aspekte der pflanzlichen Entwicklung. Mitglieder der AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID (Aux/IAA) Genfamilie spielen eine zentrale Rolle in der Auxin-Signaltransduktion.<br /> In Mais kodiert das Gen rum1 (rootless with undetectable meristem 1) das Aux/IAA Protein ZmIAA29, dem bislang als einzigem Aux/IAA Protein eine Rolle in der Entwicklung zugeschrieben werden konnte. Es kontrolliert die Initiation der embryonalen Seminalwurzeln und der postembryonalen Lateralwurzeln der Primärwurzel. Ausgehend von diesem Befund wurde in dieser Arbeit die Aux/IAA Genfamilie von Mais genauer charakterisiert.<br /> Zu Beginn dieser Arbeit waren 31 Aux/IAA Gene im Maisgenom beschrieben. Eine Homologiesuche in der aktuellsten Annotation des Maisgenoms führte zur Identifizierung von drei weiteren Aux/IAA Genen (ZmIAA32 – GRMZM2G366373, ZmIAA33 – GRMZM2G359924 und ZmIAA34 – GRMZM2G031615). Phylogenetische Analysen aller 34 Aux/IAA Proteine ergaben eine strukturelle Aufspaltung des Stammbaums in zwei Klassen aufgrund von Unterschieden der Aminosäuresequenz in der konservierten Domäne III. Insgesamt konnten durch Syntänievergleiche sieben paraloge Aux/IAA Paare bestimmt werden. Die Aux/IAA Gene zeigten unterschiedliche Expressionsmuster in verschiedenen Wurzeltypen. Im Durchschnitt war das Expressionsniveau der Aux/IAA Gene in den Kronwurzeln am höchsten, gefolgt von den Seminal- und Primärwurzeln. Die geringste Expression wurde in den Lateralwurzeln der Primärwurzel gemessen. Basierend auf den Ergebnissen der phylogenetischen Untersuchungen und der Expressionsanalysen wurden die Aux/IAA Gene ZmIAA2, ZmIAA11, ZmIAA15, ZmIAA20 und ZmIAA33 für die weitere funktionelle Charakterisierung ausgewählt. Alternative Varianten dieser Proteine wurden durch zielgerichtete Punktmutationen erzeugt, die dazu führten, dass in den Degron-Sequenzen der fünf Aux/IAA Proteine das primäre Prolin durch Serin und das sekundäre Prolin durch Leuzin ersetzt wurden. Aux/IAA Gene kodieren für kurzlebige Proteine, welche im Kern lokalisiert sind. Die gemessenen Halbwertszeiten der untersuchten wildtypischen Aux/IAA Proteine betrugen zwischen ~11 Minuten (ZmIAA2) und ~120 Minuten (ZmIAA15). Die Punktmutationen führten zu einer deutlichen Stabilisierung der Aux/IAA Proteine im Vergleich zu den Wildtypvarianten. Die Wildtyp- sowie die mutierten Proteine von ZmIAA2, ZmIAA11 und ZmIAA15 wurden ausschließlich im Kern nachgewiesen. Dagegen waren die Proteine ZmIAA20 und ZmIAA33 in Kern und Zytoplasma lokalisiert. Außerdem konnte gezeigt werden, dass alle Aux/IAA Kandidatengene als aktive Repressoren fungieren. Weiterhin konnte eine Wechselwirkung der fünf untersuchten Aux/IAA Proteine mit RUM1 gezeigt werden, jedoch interagierten nur ZmIAA15 und ZmIAA33 mit dessen Paralog RUL1.<br /> Zusammenfassend konnte nachgewiesen werden, dass die untersuchten Aux/IAA Gene wurzel-, gewebe- und entwicklungsspezifische Expressionsmuster aufwiesen, darüber hinaus zeigten die von diesen Genen kodierten Proteine unterschiedliche Stabilitäten sowie eine unterschiedlich starke Repressoraktivität. Während alle fünf Aux/IAA Proteine im Kern lokalisiert waren, zeigten ZmIAA20 und ZmIAA33 zusätzlich Expression im Zytoplasma. Schließlich wurden spezifische Protein-Protein-Interaktionen der Aux/IAA Proteine mit RUM1 und RUL1 identifiziert....
The aerobic deterioration of silages as estimated from chemical composition and dietary choice by goats
(2013-06-06)
Conserved forage as silage provides an important source of energy and nutrients for livestock in many countries of the world. After opening the silo for the feed-out phase or due to damages of the covering, oxygen ingresses ...
Vergleich verschiedener Anbausysteme des Organischen Landbaus für Mais und zwei Leguminosenarten
(2013-02-12)
In den Jahren 1995 bis 1998 wurden am Institut für Agrarbiologie der EMBRAPA in Seropédica, Rio de Janeiro, Brasilien, Feldversuche zum gemeinsamen Anbau von Mais und Körnerleguminosen unter den Anbaubedingungen des ...
The Role of Storage and Information in Stabilizing Food Prices and Supplies
(2016-08-03)
High and volatile food prices can push people into poverty, impact production and consumption, discourage investments, and lead to social unrest. Thus, due to occasional global food shortages as in 2007/08 and frequent ...
Investigating the Potential of UAV-Based Low-Cost Camera Imagery for Measuring Biophysical Variables in Maize
(2018-11-27)
The potential for improved crop productivity is readily investigated in agronomic field experiments. Frequent measurements of biophysical crop variables are necessary to allow for confident statements on crop performance. ...
Farm-level impacts of policy instruments targeting plant protection products
(2018-09-25)
Plant protection is necessary to achieve high yields with high quality. The application of pesticides, however, leads to negative external effects to the environment. Society calls for stricter agri-environmental instruments ...
Boundary work and agricultural innovation systems: Stakeholder interaction and learning using an example of push-pull technology in Ethiopia
(2019-06-17)
Maize is an important cereal crop for food security in Ethiopia. However, its productivity is low with average grain yields of less than 1 ton/ha which is below its potential of over 4 ton/ha. This is attributed to a variety of biophysical as well as socio-economic and institutional factors including weak linkages between research and practice. Despite high investments and the existence of technologies to improve smallholder maize productivity, there are low rates of adoption and even rejection. This is partly attributed to the non-participatory nature and linear structure of agricultural extension delivery systems which is not tailored to the potentials of different agro-ecological zones and the needs of the farmers. An analysis based on an innovation systems approach was considered in this study as a possible strategy to explore how researchers and other stakeholders can work together during technology planning and implementation. The Push-pull technology (PPT) was used as a boundary object to provide an opportunity for collaboration, interaction and learning among the stakeholders. The PPT is a biological based strategy for stemborer pest control in maize. In this strategy, maize crop is intercropped with a fodder legume, Desmodium (the push), together with an attractant trap plant, Napier/Brachiaria grass (the pull), planted around maize-legume intercrop. Using a transdisciplinary action research process, the study was implemented in Bako, Jimma Arjo and Yayu Woredas in the Oromia region of Ethiopia. Qualitative research methods were used in data collection: 37 key informant interviews, 20 Focus Group discussions, 2 stakeholder workshops, on-farm practical demonstrations and participant observations. The study lasted 8 months from August 2014 to April 2015. The qualitative data were manually transcribed into themes and analyzed using content analysis and interpreted in relation with research objectives, concepts and theories used in this study. <br /> The findings show that the PPT implementation involving participation of all the stakeholders from planning to evaluation stand a better chance of adaptation than rejection. The existence of a real-life stemborer pest problem which previously had not received any promising solution is a strong motivation for the stakeholders' collaboration, knowledge sharing and learning about PPT. The use of farmers own fields for practical implementation creates an opportunity which enable critical assessment and relaxed learning about PPT. The technology is science based, applicable by farmers and also provides opportunities for researchers, extension staff, private sector players to learn new knowledge and linkages. The mutual trust among stakeholders plays a significant role in enabling the fruitful interaction and learning. However, uncertainty, doubts, spread of negative rumors about local fit of PPT, jealousy and interpersonal conflicts among stakeholders could be observed in the incidences showing some resistance and portraying it negatively. The long term nature of PPT implementation provides opportunity for continuous interaction and learning to either overcome these suspicions or confirm them. There is need for a follow-up and a long term study to ascertain these facts....
Mais ist eine wichtige Getreidepflanze zur Ernährungssicherung in Äthiopien. Die Produktivität ist jedoch mit durchschnittlichen Getreideerträgen von weniger als 1 t/ha niedrig und liegt unter dem Potential von über 4 t/ha. Dies wird auf eine Vielzahl von biophysikalischen, sozioökonomischen und institutionellen Faktoren zurückgeführt, sowie einer schwachen Verknüpfung zwischen Forschung und Praxis. Trotz hoher Investitionen und existierender Technologien zur Verbesserung der kleinbäuerlichen Maisproduktivität, gibt es nur geringe Akzeptanz- und sogar Ablehnungseffekte. Dies ist teilweise auf den nicht partizipatorischen Charakter und die lineare Struktur landwirtschaftlicher Systeme zurückzuführen. Sie sind nicht auf die Potenziale verschiedener agrarökologischer Zonen und die Bedürfnisse der Landwirte zugeschnitten. <br /> Eine Analyse basierend auf einem Innovationssystemansatz wurde in dieser Studie als mögliche Strategie betrachtet, um zu untersuchen, wie Forscher und andere Interessengruppen bei der Technologieplanung und -umsetzung zusammenarbeiten können. Die Push-Pull-Technologie (PPT) wurde als ein Grenzobjekt verwendet, um eine Möglichkeit für Zusammenarbeit, Interaktion und Lernen zwischen den beteiligten Akteuren zu schaffen. In diesem Fall ist PPT eine biologische Strategie zur Schädlingsbekämpfung für Mais. Hierbei wird Mais vermischt mit einer Futterleguminose, Desmodium (pull), und einer Lockstofffallenpflanze, Napier/Brachiaria-Gras (push), die um den Mais-Hülsenfrucht-Zwischenfruchtanbau gepflanzt ist. <br /> Die Studie erfolgte mit transdisziplinärer Aktionsforschung in Bako, Jimma Arjo und Yayu Woredas in der Region Oromia in Äthiopien. Bei der Datenerhebung wurden qualitative Forschungsmethoden eingesetzt, die durch eine Fragebogenerhebung ergänzt wurden: 37 Experteninterviews, 20 Gruppengespräche, zwei Stakeholder-Workshops eine praktische Demonstrationen vor Ort und Teilnehmerbeobachtungen. Die Studie dauerte 8 Monate von August 2014 bis April 2015. Die qualitativen Daten wurden manuell transkribiert und mittels einer Inhaltsanalyse ausgewertet, um sie in Bezug auf Forschungsziele, Konzepte und Theorien, die in dieser Studie verwendet wurden, zu interpretieren. <br /> Die Ergebnisse zeigen, dass die PPT-Implementierung, an der alle Beteiligten von der Planung bis zur Evaluierung beteiligt sind, eher Anpassung als Ablehnung erfährt. Die Erscheinung eines echten Stößelkrankheitsproblems, für das es zuvor keine erfolgversprechende Lösung gab, ist ein starker Antrieb für die Zusammenarbeit, den Wissensaustausch und das Lernen von Akteuren über PPT. Die Nutzung von Feldern der Landwirte für die praktische Umsetzung, ermöglicht eine kritische Bewertung und leichtes Lernen von PPT. Die Technologie basiert auf wissenschaftlichen Erkenntnissen, ist für Landwirte anwendbar und bietet auch Forschern, ländlichen Beratern und Akteuren des privaten Sektors die Möglichkeit, neue Kenntnisse und Netzwerke zu erwirken. Das gegenseitige Vertrauen zwischen den Beteiligten spielt eine wichtige Rolle für die erfolgreiche Interaktion und das Lernen. Ungewissheit, Zweifel, negative Gerüchte über die Eignung von PPT, Neid und zwischenmenschliche Konflikte zwischen Akteuren lassen es jedoch negativ erscheinen. Die langfristige Natur der PPT-Implementierung ermöglicht kontinuierliche Interaktion und Lernen, um diese negativen Aspekte zu überwinden oder zu bestätigen. Es bedarf einer Folge- und einer Langzeitstudie, um dies zu ermitteln....
Mais ist eine wichtige Getreidepflanze zur Ernährungssicherung in Äthiopien. Die Produktivität ist jedoch mit durchschnittlichen Getreideerträgen von weniger als 1 t/ha niedrig und liegt unter dem Potential von über 4 t/ha. Dies wird auf eine Vielzahl von biophysikalischen, sozioökonomischen und institutionellen Faktoren zurückgeführt, sowie einer schwachen Verknüpfung zwischen Forschung und Praxis. Trotz hoher Investitionen und existierender Technologien zur Verbesserung der kleinbäuerlichen Maisproduktivität, gibt es nur geringe Akzeptanz- und sogar Ablehnungseffekte. Dies ist teilweise auf den nicht partizipatorischen Charakter und die lineare Struktur landwirtschaftlicher Systeme zurückzuführen. Sie sind nicht auf die Potenziale verschiedener agrarökologischer Zonen und die Bedürfnisse der Landwirte zugeschnitten. <br /> Eine Analyse basierend auf einem Innovationssystemansatz wurde in dieser Studie als mögliche Strategie betrachtet, um zu untersuchen, wie Forscher und andere Interessengruppen bei der Technologieplanung und -umsetzung zusammenarbeiten können. Die Push-Pull-Technologie (PPT) wurde als ein Grenzobjekt verwendet, um eine Möglichkeit für Zusammenarbeit, Interaktion und Lernen zwischen den beteiligten Akteuren zu schaffen. In diesem Fall ist PPT eine biologische Strategie zur Schädlingsbekämpfung für Mais. Hierbei wird Mais vermischt mit einer Futterleguminose, Desmodium (pull), und einer Lockstofffallenpflanze, Napier/Brachiaria-Gras (push), die um den Mais-Hülsenfrucht-Zwischenfruchtanbau gepflanzt ist. <br /> Die Studie erfolgte mit transdisziplinärer Aktionsforschung in Bako, Jimma Arjo und Yayu Woredas in der Region Oromia in Äthiopien. Bei der Datenerhebung wurden qualitative Forschungsmethoden eingesetzt, die durch eine Fragebogenerhebung ergänzt wurden: 37 Experteninterviews, 20 Gruppengespräche, zwei Stakeholder-Workshops eine praktische Demonstrationen vor Ort und Teilnehmerbeobachtungen. Die Studie dauerte 8 Monate von August 2014 bis April 2015. Die qualitativen Daten wurden manuell transkribiert und mittels einer Inhaltsanalyse ausgewertet, um sie in Bezug auf Forschungsziele, Konzepte und Theorien, die in dieser Studie verwendet wurden, zu interpretieren. <br /> Die Ergebnisse zeigen, dass die PPT-Implementierung, an der alle Beteiligten von der Planung bis zur Evaluierung beteiligt sind, eher Anpassung als Ablehnung erfährt. Die Erscheinung eines echten Stößelkrankheitsproblems, für das es zuvor keine erfolgversprechende Lösung gab, ist ein starker Antrieb für die Zusammenarbeit, den Wissensaustausch und das Lernen von Akteuren über PPT. Die Nutzung von Feldern der Landwirte für die praktische Umsetzung, ermöglicht eine kritische Bewertung und leichtes Lernen von PPT. Die Technologie basiert auf wissenschaftlichen Erkenntnissen, ist für Landwirte anwendbar und bietet auch Forschern, ländlichen Beratern und Akteuren des privaten Sektors die Möglichkeit, neue Kenntnisse und Netzwerke zu erwirken. Das gegenseitige Vertrauen zwischen den Beteiligten spielt eine wichtige Rolle für die erfolgreiche Interaktion und das Lernen. Ungewissheit, Zweifel, negative Gerüchte über die Eignung von PPT, Neid und zwischenmenschliche Konflikte zwischen Akteuren lassen es jedoch negativ erscheinen. Die langfristige Natur der PPT-Implementierung ermöglicht kontinuierliche Interaktion und Lernen, um diese negativen Aspekte zu überwinden oder zu bestätigen. Es bedarf einer Folge- und einer Langzeitstudie, um dies zu ermitteln....
Economic disruptions, markets and food security
(2020-12-30)
Idiosyncratic and covariate shocks have considerable impacts on household food security and welfare. While impacts of covariate and idiosyncratic shocks have been widely documented, the mitigating role of infrastructure ...
