Analyse der Wurzelarchitektur von Gerste (<em>Hordeum vulgare</em>) unter verschiedenen Umweltbedingungen

Abstract

Innerhalb der letzten Jahre zeigte der Aufruf zu einer "second green revolution" die Notwendigkeit zur Entwicklung leistungsfähiger Kulturpflanzen mit robustem Verhalten auf wechselnde Umweltbedingungen und limitierte Nährstoffangebote. Die Pflanzenwurzel spielt eine zentrale Rolle bei der Versorgung der Pflanze mit Nährstoffen und Wasser, und die Wurzelarchitektur hat demnach Einfluss auf die Entwicklung und Produktivität der Pflanze. Die Wurzelarchitektur wurde aufgrund methodischer Schwierigkeiten wenig erforscht und daher als mögliches Kriterium zur verbesserten Selektion in der Pflanzenzüchtung wenig berücksichtigt.<br /> In der vorliegenden Arbeit wurde als Teilprojekt des Verbundvorhabens „Phenomics, Transcriptomics und Genomics - ein integrierter Ansatz zur Effizienzsteigerung in der Selektion trockenstresstoleranter Gerste“ die Wurzelarchitektur von 6 deutschen Sommerbraugersten (<em>Hordeum vulgare, L. cv. Wisa, LfL24727, Barke, Grace, Braemar, Tatum</em>) zerstörungsfrei im Labor untersucht. Zur Erfassung der Wurzelarchitektur wurden die Gerstensamen oberflächensterilisiert und in einem transparenten Wachstumsmedium in einem axenischen System angezogen. Die Gerstenpflanzen wurden unter verschiedenen Umweltbedingungen, d. h. unter osmotischem Stress, Phosphatmangel und Nitratmangel sowie unter Kontrollbedingungen angezogen. Anschließend erfolgte auf einer speziell angefertigten, rotierenden Bildaufnahme-Plattform die digitale Bildaufnahme des Wurzelsystems der juvenilen Pflanzen nach 16 Tagen Wachstum. Dabei entstanden pro Pflanze bis zu 36 Aufnahmen des Wurzelsystems in einer vollen 360° Umdrehung. Die Digitalbilder des Wurzelsystems wurden zur Berechnung von diversen Parametern, mit welchen die Wurzelarchitektur beschrieben werden kann, verwendet. Dies erfolgte mit dem Einsatz einer dafür entwickelten Bildverarbeitungssoftware. Die Software GiA Roots wurde in Kooperation verschiedener Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Philip Benfey, Duke University, Durham NC, USA entwickelt und ermöglicht die Berechnung von 19 verschiedenen Wurzelparametern aus Bilderserien. Pro Gerstensorte und Behandlung wurden von mindestens 10 Individuen die Wurzelarchitektur-Parameter mit GiA Roots 2D (Iyer-Pascuzzi<em> et al.,</em> 2010; Galkovskyi <em>et al.,</em> 2012) berechnet und anschließend statistisch ausgewertet.<br /> Die Ziele dieser Arbeit waren, neben der Etablierung der Anzuchtmethoden der Gerste im axenischen System und der Etablierung einer Hochdurchsatz Bildaufnahme- und Bildverarbeitungspipeline im Labor vor Ort, die zerstörungsfreie Untersuchung der verwendeten Gerstensorten auf phänotypische Unterschiede, um die Robustheit des Wurzelsystems bzgl. der verschiedenen Umweltbedingungen zu charakterisieren.<br /> Die Analysen ergaben, dass die Wurzelarchitektur der 6 Sommergersten statistisch signifikante Unterschiede auf einem 5% Niveau bei vielen der gemessenen Wurzelparameter aufweist. Bei Wachstum unter Kontrollbedingungen wurden zwei Wurzel-Phänotypen festgestellt, die Sorten Grace und Barke besitzen ein kleineres Wurzelsystem im Vergleich zu den Sorten <em>Wisa, LfL24727, Braemar </em>und<em> Tatum</em>. Auch zeigten sich unterschiedlich stark ausgeprägte Reaktionen der Sorten bzgl. der Stressversuche. Die Sorten Grace und Braemar zeigten eine, wie in der Literatur unter osmotischem Stress beschriebene, angepasste Veränderung ihrer Wurzelarchitektur. Die Sorten <em>LfL24727, Grace, Braemar </em>und<em> Tatum</em> zeigten außerdem ein an Phosphatmangel adaptiertes Wurzelsystem. Unter Nitratmangel wurden unterschiedlich starke, signifikante Veränderungen der Wurzelarchitektur bei jeder der getesteten Sorten beobachtet. Da die Sorten <em>Grace </em>und<em> Braemar</em> auf alle Stressversuche ein adaptiertes Verhalten des Wurzelsystems zeigten, wurden sie als robuste Sorten eingestuft.<br /> Die jeweiligen Reaktionen des juvenilen Wurzelsystems können genutzt werden, um auf bestimmte Eigenschaften der Sorten Rückschlüsse zu ziehen. Dies bietet den Pflanzenzüchtern die Möglichkeit, kombiniert mit ihren Erfahrungen über die Eigenschaften der Sorten, die hier beschriebene Methode zur Analyse der Wurzelarchitektur juveniler Gerste als zusätzliches Instrument zur Beurteilung von Sorten einzusetzen.

<strong>Analysis of root system architecture (RSA) of six spring barley varieties under different environmental conditions</strong><br /> Within the last years the call to a "second green revolution" showed the need for the development of efficient crops with robust behavior at varying environmental conditions and limited nutrient constraints. The plants’ root system plays a central role in plant nutrition and, therefore, the root architecture has influence on the development and productiveness of a plant. However, because of the methodical difficulties little attention was investigated to explore the root architecture and, hence, it was long ignored as a possible selection criterion for improved plant breeding.<br /> In the present work, the root architecture of 6 German spring barley varieties (<em>Hordeum vulgare, L. cv. Wisa, LfL24727, Barke, Grace, Braemar and Tatum</em>) was examined using a non-destructive approach. This was a sub project of the research project „Phenomics, Transcriptomics und Genomics - ein integrierter Ansatz zur Effizienzsteigerung in der Selektion trockenstresstoleranter Gerste“. To study the root architecture, the barley seeds were surface sterilized and grown in a transparent gellan gum under sterile conditions. Plants were grown under differential environmental conditions (osmotic stress, phosphate and nitrogen deficiency and control conditions). To obtain images of the 16-days-old roots, plants were imaged on a semi-automated rotating imaging platform. Up to 36 images per plant were captured every 10° through a full 360° rotation. Out of these images 19 root architecture parameters were calculated using GiA Roots software (Iyer-Pascuzzi <em>et al.,</em> 2010). In cooperation with different working groups, GiA Root was developed by Prof. Dr. Philip Benfey, Duke University, Durham NC, USA. It was developed as a high-throughput image analyzing pipeline for image series and allows 19 different root architecture parameters to be considered. In this work more than 10 individuals of each barley variety and each treatment were used for image analysis followed by statistical analysis.<br /> The objectives of this work were to establish the plant culture methods and the imaging-pipeline and the analysis of the barley plants for phenotypic characteristics to evaluate the robustness of the roots under different conditions.<br /> Statistical analysis revealed that many significant differences exist at 5 per cent between the cultivars’ root parameter. Two different root phenotypes were identified grown on control medium. The varieties Barke and Grace showed a comparably small root system in contrast to the cultivars <em>LfL24727, Grace, Braemar </em>and<em> Tatum</em>. The root system responded differently to the stress treatments. The cultivars Grace and Braemar showed an adaptive reaction of the root system to osmotic stress. The cultivars <em>LfL24727, Grace, Braemar </em>and<em> Tatum</em> changed their root architecture and showed a smaller and more branched root system at the ground surface. Under nitrate deficiency all the cultivars showed distinct responses of the root system. The cultivars Grace and Braemar exhibited the most adaptive reaction and are therefore considered to be robust cultivars.<br /> The respective reactions of the juvenile root system can be used to draw conclusions on certain qualities of the cultivars. This offers the plant breeders the possibility to use this imaging system as an additional instrument for breeding selection.