Approaches to increase abiotic stress tolerance of potato plants (Solanum tuberosum)

The potato plant (Solanum tuberosum L.) is, due to its origin from cool mountainous regions, very sensitive to elevated temperatures. As temperatures are increasing due to global warming this has already led to tremendous yield losses. The aim of this work was to gain insights into the regulation of potato tuberization, especially under abiotic stresses. Moreover novel potato plants should be created which could withstand better the challenges of climate change, in particular heat and drought. In a first approach, transgenic potato plants were generated and characterized. Overexpression of the key tuberization regulator SP6A (a FLOWERING LOCUS T homologue) should provide insights into the control of source-sink balance. Therefore, under control of a strong promoter a codon-usage optimized version of SP6A (SP6Acop-HA) was used to achieve strong expression of the transcript. This resulted in extremely early tuberization but a concurrently impaired shoot growth indicating a strong impact of SP6A on the source-sink balance. These transgenic plants tuberized extremely early, but concurrently exhibited an impaired shoot growth. Additionally, transgenic tubers formed daughter tubers from stored tubers suggesting that the meristem identity of dormant tuber buds was altered. To further unravel the underlying mechanism a transcript profiling experiment was conducted with dormant tuber buds from both wild type and transgenic tubers. Comparative data analysis revealed a differential expression of several transcription factors controlling meristem identity, which supports the findings. Motivated by the severity of the phenotype of SP6Acop-HA overexpressing plants, an in silico search for putative small regulatory RNAs was performed. This led to the identification of a small RNA, named SES, repressing SP6A transcript accumulation in a sequence-specific manner, especially under elevated temperatures. The gained knowledge was used to design a construct that abolishes the activity of SES by providing an artificial target sequence, referred to as short tandem target mimicry (STTM), in excess. This construct was transformed in potato. The resulting plants did not show severe morphologic alterations but tuber formation was maintained even under continuous treatment with elevated temperatures. In a second approach, it was tested whether the combined expression of two targets will result in improved heat and drought tolerance of potato plants. First SP6A was chosen for overexpression under control of the StLS1 promoter. This was thought to result in a less extreme phenotype but in an improved tuberization under both control and heat. Secondly, transpiration rates should be reduced by a guard-cell specific overexpression of A. thaliana Hexokinase1 (AtHXK1), since high water transpiration is becoming an agricultural problem in the near future due to climate change. Successful regulation of water loss by AtHXK1 expression was shown previously for other plants like A. thaliana, citrus and tomato. The combined expression of these two genes in transgenic potato plants (named HXK+SP6A) resulted in reduced transpiration rates under ambient as well as drought and heat conditions. Measurements of ABA, and proline contents as well as of an ABA responsive proline biosynthesis gene indicated a reduced drought stress in the transgenic lines as compared to the WT. This was not due to impaired ABA signaling as suggested from an ABA floating assay. Most importantly, tuber formation of the transgenic was stable under all stress conditions with no negative impact on starch contents of the tubers, whereas the WT showed less total tuber yields with reduced starch contents. In the HXK+SP6A potato tubers less induction of cell wall-bound invertase (cwInv) and less repression of sucrose synthase (SUSY) was observed supporting the assumption that more sucrose is available as substrate for starch biosynthesis via SUSY in the amyloplast and less sucrose leaking out of the cell to be hydrolyzed by cwInv. Together this might cause higher starch contents. As a possible explanation an increased supply with assimilates is most likely. To clarify this, physiological and biochemical data were obtained which provide first insights into the molecular mode of action. The transgenic plants were characterized morphologically by thinner but more stems and a repressed axillary bud outgrowth, whereas root growth was enhanced. The stem phenotype suggests less leakage of carbon sources out of the phloem which is supported by esculin loading experiments, explaining a better nourishment of the tuber to the detriment of green biomass production. This might be due to an inhibition of the sucrose exporter SWEET11 by SP6A. Moreover, an accumulation of sugars at the basal stem part might not only promote lateral shoot outgrowth but also root growth. The shift in assimilate partitioning towards root biomass production probably mediated by SP6A-SWEET interaction might, together with overexpression of AtHXK1, further contribute to drought stress avoidance. Together the results gained in this work present a novel strategy for creating new potato plants which are less susceptible to drought and heat and its application can contribute to food security even under the challenges of global climate change.Die Kartoffelpflanze (Solanum tuberosum L.) ist aufgrund ihrer Herkunft aus kühlen Gebirgsregionen sehr empfindlich gegenüber erhöhten Temperaturen. Da die Temperaturen aufgrund der globalen Erwärmung steigen, hat dies bereits zu enormen Ertragsverlusten geführt. Ziel dieser Arbeit war es, Einblicke in die Regulation der Knollenbildung in Kartoffel, insbesondere unter abiotischem Stress, zu gewinnen. Darüber hinaus sollten neuartige Kartoffelpflanzen geschaffen werden, die den Herausforderungen des Klimawandels, insbesondere Hitze und Dürre, besser standhalten können. In einem ersten Ansatz wurden transgene Kartoffelpflanzen erzeugt und charakterisiert. Die Überexpression des wichtigsten Regulators der Knollenbildung, SP6A (einem FLOWERING LOCUS T-Homolog), sollte Einblicke in die Steuerung des source-sink-Gleichgewichts geben. Daher wurde unter der Kontrolle eines starken Promotors eine codonoptimierte Version von SP6A verwendet, um eine starke Expression des Transkripts zu erzielen. Dies führte zu einer extrem frühen Knollenbildung, aber gleichzeitig zu einem beeinträchtigten Sprosswachstum, was auf einen starken Einfluss von SP6A auf das source-sink-Gleichgewicht hindeutet. Diese transgenen Pflanzen bildeten sehr früh Knollen, zeigten aber gleichzeitig ein gestörtes Sprosswachstum. Zusätzlich bildeten sich Tochterknollen aus gelagerten transgenen Knollen, was darauf hindeutete, dass die Meristemidentität ruhender Knollenaugen verändert war. Um den zugrunde liegenden Mechanismus weiter zu entschlüsseln, wurde ein transcript-profiling-Experiment mit ruhenden Knollenaugen sowohl von Wildtyp- als auch von transgenen Knollen durchgeführt. Eine vergleichende Datenanalyse ergab eine unterschiedliche Expression mehrerer Transkriptionsfaktoren, die die Meristemidentität steuern, was die Beobachtungen unterstützt. Aufgrund des besonders stark ausgeprägten Phänotyps dieser transgenen Pflanzen wurde nach kleinen regulatorischen RNAs gesucht. Dies führte zur Entdeckung einer kleinen RNA, genannt SES, die die SP6A Transkriptakkumulation sequenzspezifisch und insbesondere bei erhöhten Temperaturen reprimiert. Das gewonnene Wissen wurde verwendet, um ein Konstrukt zu entwerfen, das die Aktivität von SES aufhebt, indem eine künstliche Zielsequenz, als Short Tandem Target Mimicry (STTM) bezeichnet, im Überschuss bereitgestellt wird. Dieses Konstrukt wurde in Kartoffeln transformiert. Die resultierenden Pflanzen zeigten keine schweren morphologischen Veränderungen, aber die Knollenbildung blieb auch bei kontinuierlicher Behandlung mit erhöhten Temperaturen erhalten. In einem zweiten Ansatz wurde getestet, ob die kombinierte Expression von zwei Zielgenen zu einer verbesserten Hitze- und Trockenheitstoleranz von Kartoffelpflanzen führt. Zuerst wurde SP6A für die Überexpression unter Kontrolle des StLS1-Promotors ausgewählt. Es wurde angenommen, dass dies zu einem weniger extremen Phänotyp führt, jedoch zu einer verbesserten Knollenbildung sowohl unter Kontrolle als auch unter Hitze. Zweitens sollten die Transpirationsraten durch eine schließzellspezifische Überexpression von A. thaliana Hexokinase1 (AtHXK1) verringert werden, da die hohe Wassertranspiration in naher Zukunft aufgrund des Klimawandels zu einem landwirtschaftlichen Problem werden wird. Eine erfolgreiche Regulierung des Wasserverlusts durch AtHXK1-Expression wurde zuvor für andere Pflanzen wie A. thaliana, Zitrone und Tomate gezeigt. Die kombinierte Expression dieser beiden Gene in transgenen Kartoffelpflanzen (genannt HXK+SP6A) führte zu verringerten Transpirationsraten unter ambienten Bedingungen sowie unter Trockenheits- und Hitzebedingungen. Messungen des ABA- und Prolin-Gehalts sowie eines auf ABA ansprechenden Prolin-Biosynthesegens zeigten einen verringerten Trockenstress in den transgenen Linien im Vergleich zum Wildtyp. Dies war nicht auf eine beeinträchtigte ABA-Signalübertragung zurückzuführen, wie aus einem ABA-Floating-Assay hervorging. Am wichtigsten war die Feststellung, dass die Knollenbildung der Transgenen unter allen Stressbedingungen stabil war, ohne den Stärkegehalt der Knollen negativ zu beeinflussen, wohingegen der Wildtyp weniger Gesamtknollenerträge bei verringertem Stärkegehalt aufwies. In den HXK+SP6A-Kartoffelknollen wurde eine geringere Induktion von zellwandgebundener Invertase (cwInv) und eine geringere Hemmung der Saccharosesynthase (SUSY) beobachtet, was die Annahme stützt, dass mehr Saccharose als Substrat für die Stärkebiosynthese mittels SUSY im Amyloplasten zur Verfügung steht und weniger Saccharose aus der Zelle austritt, um durch cwInv hydrolysiert zu werden. Zusammen kann dies zu höheren Stärkegehalten führen. Als mögliche Erklärung ist eine verbesserte Versorgung mit Assimilaten am wahrscheinlichsten. Um dies zu verdeutlichen, wurden physiologische und biochemische Daten gesammelt, die erste Einblicke in die molekulare Wirkungsweise geben. Die transgenen Pflanzen waren morphologisch durch dünnere, aber mehr Stämme und ein unterdrücktes Auswachsen der Achselknospen gekennzeichnet, während das Wurzelwachstum verstärkt war. Der Stammphänotyp deutet darauf hin, dass weniger Kohlenstoffquellen aus dem Phloem austreten, was durch Esculinbeladungsexperimente unterstützt wird, was eine bessere Ernährung der Knolle, zum Nachteil des Aufbaus grüner Biomasse, erklärt. Dies könnte auf eine Hemmung des Saccharoseexporters SWEET11 durch SP6A zurückzuführen sein. Darüber hinaus könnte eine Anreicherung von Zucker am basalen Stammteil nicht nur das Wachstum von Seitensprossen fördern, sondern auch das Wurzelwachstum. Die Verschiebung der Assimilatverteilung in Richtung Wurzelbiomasseproduktion, die wahrscheinlich durch die SP6A-SWEET11-Interaktion vermittelt wird, könnte, zusammen mit dem AtHXK1-Konstrukt, dazu beitragen die Ernährung auch unter den Bedingungen des Klimawandels sicherzustellen

Kinetic modeling identifies targets for engineering improved photosynthetic efficiency in potato (Solanum tuberosum cv. Solara)

<p>Potato (Solanum tuberosum) is a significant non-grain food crop in terms of global production. However, its yield potential might be raised by identifying means to release bottlenecks within photosynthetic metabolism, from the capture of solar energy to the synthesis of carbohydrates. Recently, engineered increases in photosynthetic rates in other crops have been directly related to increased yield – how might such increases be achieved in potato? To answer this question, we derived the photosynthetic parameters Vcmax and Jmax to calibrate a kinetic model of leaf metabolism (e-Photosynthesis) for potato. This model was then used to simulate the impact of manipulating the expression of genes and their protein products on carbon assimilation rates in silico through optimizing resource investment among 23 photosynthetic enzymes, predicting increases in photosynthetic CO2 uptake of up to 67%. However, this number of manipulations would not be practical with current technologies. Given a limited practical number of manipulations, the optimization indicated that an increase in amounts of three enzymes – Rubisco, FBP aldolase, and SBPase – would increase net assimilation. Increasing these alone to the levels predicted necessary for optimization increased photosynthetic rate by 28% in potato.</p&gt

Kinetic modeling identifies targets for engineering improved photosynthetic efficiency in potato (Solanum tuberosum cv. Solara)

Potato (Solanum tuberosum) is a significant non-grain food crop in terms of global production. However, its yield potential might be raised by identifying means to release bottlenecks within photosynthetic metabolism, from the capture of solar energy to the synthesis of carbohydrates. Recently, engineered increases in photosynthetic rates in other crops have been directly related to increased yield – how might such increases be achieved in potato? To answer this question, we derived the photosynthetic parameters Vcmax and Jmax to calibrate a kinetic model of leaf metabolism (e-Photosynthesis) for potato. This model was then used to simulate the impact of manipulating the expression of genes and their protein products on carbon assimilation rates in silico through optimizing resource investment among 23 photosynthetic enzymes, predicting increases in photosynthetic CO2 uptake of up to 67%. However, this number of manipulations would not be practical with current technologies. Given a limited practical number of manipulations, the optimization indicated that an increase in amounts of three enzymes – Rubisco, FBP aldolase, and SBPase –would increase net assimilation. Increasing these alone to the levels predicted necessary for optimization increased photosynthetic rate by 28% in potato