The identification of genetic variation for gibberellin biosynthesis and signalling among Arabidopsis thaliana accessions

Änderungen im Pflanzenhormongehalt und in der Hormonsignalisierung könnten die Grundlage für die phänotypische Variationen in entwicklungs- und stress-bedingten Merkmalen innerhalb der gleichen, in der Natur vorkommenden, Species darstellen. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, das Verständnis der genetischen Grundlagen solcher Variationen zu erweiteren. Mithilfe von Komplementationstests und DNA-Squenzierungen wurden in der Natur vorkommenden Arabidopsis thaliana Halbzwerg-Ökotypen mit der ga5 Mutante verglichen. Wir konnten damit eine Vielzahl von unabhängig auftretenden Mutationen in dem GA20ox1 (GA5) Gen nachweisen. Diese Mutationen führen zu inaktiven Allelen in 17 verschiedenen Populationen aus verschiedenen Teilen der Welt. GA5 kodiert für eine GA 20-oxidase, ein Enzym, das an den letzten Schritten der Gibberellin (GA)-Biosynthese beteiligt ist. Gibberelline sind Pflanzenwachstumsregulatoren, die verschiedene Merkmale wie Samenkeimung, Blühzeitpunkt und Pflanzenhöhe beeinflussen. Eine Analyse der Populationsgenetik für das GA20ox1-Gen wurde in der weltweiten Kollektion von natürlichen Ökotypen und in speziellen Populationen mit vielen Halbzwergen durchgeführt. Diese Untersuchungen weisen auf eine örtliche Selektion hin. Bei den GA20ox1 Halbzwerg-Mutanten wurden keine offensichtlichen Nachteile der Pflanzen bezüglich ihrer Leistungs- und Überlebensfähigkeit festgestellt. Um zu testen, ob die Mutanten Wasserstress besser vertragen, wurden physiologische Experimente unter Wasserrückhaltebedingungen durchgeführt. Obwohl den Mutationen keine eindeutigen Effekte zugewiesen werden konnten, wurde eine Halbzwerg-Variante mit einem viel größeren Wurzelsystem identifiziert, der mit einer Wasserrückhaltetoleranz zu korrelieren scheint. Um das Auftreten der natürlichen Variation hinsichtlich der GA-Biosynthese und des GA-Signalwegs zu untersuchen, wurde eine QTL (engl. Quantitative Trait Loci)-Analyse und eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS, engl. Genome-wide association study) durchgeführt , um die Empfindlichkeit der Samenkeimung gegenüber dem Gibberellin-Biosynthese-Inhibitor Paclobutrazol (PAC) und gegenüber GA4+7 zu testen. Die QTL- und die GWAS-Analyse zeigten eine komplexe Regulierung der Effekte des Abbaus und Wiederaufbaus von GA. Ein Hauptlocus für die Empfindlichkeit gegenüber PAC wurde bestätigt und hinsichtlich seines Einfluses auf die Samenkeimung charakterisiert. Um unsere Studie auszudehnen, wurde eine `HyPer´genannte, halb-automatisierte Methode zur Quantifizierung des sktotomorphogenesen Hypokotyls entwickelt,. Diese Methode wurde für eine QTL-Kartierung der Hypokotyllänge und der Effekte von PAC und GA genutzt. Diese Experimente zeigten ERECTA als einen Locus, der mit der Empfindlichkeit gegenüber PAC zu tun hat. Anhand dieser Ergebnisse spielen Giberelline eine Rolle in der natürlichen Variation von Arabidopsis thaliana. Der Fund von GA5 als GA-“hotspot“ in dieser Arbeit zeigt, dass eine konvergente Entwicklung zwischen natürlich vorkommenden Halbzwergen und wilden, domestizierten Pflanzenspecies vorliegt

Genome wide association mapping for the tolerance to the polyamine oxidase inhibitor guazatine in Arabidopsis thaliana

Guazatine is a potent inhibitor of polyamine oxidase (PAO) activity. In agriculture, guazatine is used as non-systemic contact fungicide efficient in the protection of cereals and citrus fruits against disease. The composition of guazatine is complex, mainly constituted by a mixture of synthetic guanidated polyamines (polyaminoguanidines). Here we have studied the effects from exposure to guazatine in the weed Arabidopsis thaliana. We report that micromolar concentrations of guazatine are sufficient to inhibit growth of Arabidopsis seedlings and induce chlorosis, whereas germination is barely affected. We observed the occurrence of quantitative variation in the response to guazatine between 107 randomly chosen Arabidopsis accessions. This enabled us to undertake genome-wide association (GWA) mapping that identified a locus on chromosome one associated with guazatine tolerance. CHLOROPHYLLASE 1 (CLH1) within this locus was studied as candidate gene, together with its paralog (CLH2). The analysis of independent clh1-2, clh1-3, clh2-3, clh2-2 and double clh1-2 clh2-3 mutant alleles indicated that CLH1 and/or CLH2 loss-of-function or expression down-regulation promote guazatine tolerance in Arabidopsis. We report a natural mechanism by which Arabidopsis populations can overcome toxicity by the fungicide guazatine

Genome wide association mapping for the tolerance to the polyamine oxidase inhibitor guazatine in arabidopsis thaliana

Guazatine is a potent inhibitor of polyamine oxidase (PAO) activity. In agriculture, guazatine is used as non-systemic contact fungicide efficient in the protection of cereals and citrus fruits against disease. The composition of guazatine is complex, mainly constituted by a mixture of synthetic guanidated polyamines (polyaminoguanidines). Here, we have studied the effects from exposure to guazatine in the weed Arabidopsis thaliana. We report that micromolar concentrations of guazatine are sufficient to inhibit growth of Arabidopsis seedlings and induce chlorosis, whereas germination is barely affected. We observed the occurrence of quantitative variation in the response to guazatine between 107 randomly chosen Arabidopsis accessions. This enabled us to undertake genome-wide association (GWA) mapping that identified a locus on chromosome one associated with guazatine tolerance. CHLOROPHYLLASE 1 (CLH1) within this locus was studied as candidate gene, together with its paralog (CLH2). The analysis of independent clh1-2, clh1-3, clh2-3, clh2-2, and double clh1-2 clh2-3 mutant alleles indicated that CLH1 and/or CLH2 loss-of-function or expression down-regulation promote guazatine tolerance in Arabidopsis. We report a natural mechanism by which Arabidopsis populations can overcome toxicity by the fungicide guazatine.Ministerio de Ciencia e Innovación/[RYC-2011-07847]//EspañaMinisterio de Economía y Competitividad/[BFU2013-41337-P]//EspañaFondo Europeo de Desarrollo Regional/[BFU2013-41337-P]/FEDER/EspañaMarie Curie Career Integration Grants/[PCIG10-GA-2011-303568]/CIG/EspañaMinisterio de Ciencia e Innovación/[BIO2011-29683]//EspañaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS

Vitamin E profile in rice (Oryza sativa L.) seeds grown and commercialized in Costa Rica

Introducción. El arroz (Oryza sativa L.) es uno de los cereales más consumidos a nivel mundial, las subespecies índicas y japónicas son las más cultivadas. La vitamina E presente en el arroz posee alta actividad antioxidante que contribuye a extender la longevidad de sus semillas. Su cuantificación permite conocer el aporte nutricional respecto a esta vitamina. Objetivo. Analizar el perfil de vitamina E en semillas de las subespecies de arroz (O. sativa L.) índicas (comerciales registradas, aromáticas, promisorias en desarrollo) y japónicas, consumidas en Costa Rica. Materiales y métodos. Se analizaron veintisiete materiales cultivados en las regiones Chorotega y Brunca, Costa Rica, cosechados en 2020. Se cuantificó la vitamina E por cromatografía líquida de ultra-alta resolución acoplado a detección por masas de cuadrupolo triple con fuente de ionización química a presión atmosférica, en el Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS), Universidad de Costa Rica, en 2021. Resultados. En el perfil de vitamina E se obtuvo un agrupamiento característico para las muestras japónicas, opuesto al presentado por las muestras índicas. Los compuestos mayoritarios fueron γ-tocotrienol, α-tocoferol y γ-tocoferol, el rango de concentración total de vitamina E fue de 5,50 a 33,20 μg g-1, donde la subespecie japónica fue la que reportó menor cantidad (6,30 – 8,80 μg g-1), mientras que la muestra Nayuribe, perteneciente a la subespecie índica comercial registrada obtuvo la concentración más alta (33,20 ± 7,40 μg g-1). Conclusión. Aunque las subvariedades analizadas son filogenéticamente de la misma especie, las diferencias significativas encontradas en el aporte nutricional de vitamina E pueden deberse a características intrínsecas de cada subespecie. El contenido significativamente alto de vitamina E de la muestra Nayuribe evidenció que es posible encontrar acervos para alto contenido de vitamina E entre las variedades analizadas.Introduction. Rice (Oryza sativa L.) is one of the most consumed cereals worldwide, the indica and japonica subspecies are the most cultivated. The vitamin E present in rice has a high antioxidant activity that contributes to extend the longevity of its seeds. Its quantification allows to know the nutritional contribution of this vitamin. Objective. To analyze the vitamin E profile in seeds of indica (registered commercial, aromatic, promising in development) and japonica subspecies of rice (O. sativa L.), consumed in Costa Rica. Materials and methods. Twenty-seven materials grown in the Chorotega and Brunca regions of Costa Rica, harvested in 2020 were analyzed. Vitamin E was quantified by ultra-high performance liquid chromatography coupled to triple quadrupole mass detection with chemical ionization source at atmospheric pressure at the Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS), Universidad de Costa Rica, in 2021. Results. In the vitamin E profile, a characteristic clustering was obtained for the japonica samples, which was opposite to that presented by the indica samples. The majority compounds were γ-tocotrienol, α-tocopherol, and γ-tocopherol, the range of total vitamin E concentration was 5.50 to 33.20 μg g-1, where the japonica subspecies reported the lowest amount (6.30 – 8.80 μg g-1), while the Nayuribe sample, belonging to the registered commercial indica subspecies, obtained the highest concentration (33.20 ± 7.40 μg g-1). Conclusion. Although the analyzed subvarieties are phylogenetically from the same species, the significant differences found in the nutritional intake of vitamin E may be due to intrinsic characteristics of each subspecies. The significantly high vitamin E content in the Nayuribe sample showed that it is possible to find stocks for a high vitamin E content among the varieties analyzed.Universidad de Costa Rica/[734-C0-213]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[734-B2-060]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS

Phenotype of Arabidopsis thaliana semi-dwarfs with deep roots and high growth rates under water-limiting conditions is independent of the GA5 loss-of-function alleles

BACKGROUND AND AIMS: The occurrence of Arabidopsis thaliana semi-dwarf accessions carrying inactive alleles at the gibberellin (GA) biosynthesis GA5 locus has raised the question whether there are pleiotropic effects on other traits at the root level, such as rooting depth. In addition, it is unknown whether semi-dwarfism in arabidopsis confers a growth advantage under water-limiting conditions compared with wild-type plants. The aim of this research was therefore to investigate whether semi-dwarfism has a pleiotropic effect in the root system and also whether semi-dwarfs might be more tolerant of water-limiting conditions. METHODS: The root systems of different arabidopsis semi-dwarfs and GA biosynthesis mutants were phenotyped in vitro using the GROWSCREEN-ROOT image-based software. Semi-dwarfs were phenotyped together with tall, near-related accessions. In addition, root phenotypes were investigated in soil-filled rhizotrons. Rosette growth trajectories were analysed with the GROWSCREEN-FLUORO setup based on non-invasive imaging. KEY RESULTS: Mutations in the early steps of the GA biosynthesis pathway led to a reduction in shoot as well as root size. Depending on the genetic background, mutations at the GA5 locus yielded phenotypes characterized by decreased root length in comparison with related wild-type ones. The semi-dwarf accession Pak-3 showed the deepest root system both in vitro and in soil cultivation experiments; this comparatively deep root system, however, was independent of the ga5 loss-of-function allele, as shown by co-segregation analysis. When the accessions were grown under water-limiting conditions, semi-dwarf accessions with high growth rates were identified. CONCLUSIONS: The observed diversity in root system growth and architecture occurs independently of semi-dwarf phenotypes, and is probably linked to a genetic background effect. The results show that there are no clear advantages of semi-dwarfism at low water availability in arabidopsis.International Max Planck Research School PhD Fellowship/[]/IMPRS/AlemaniaHelmholtz Association//[]//AlemaniaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS

50th anniversary of the Center for Research in Grains and Seeds (CIGRAS): History and contributions in research, teaching, and social work

El Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS) es un centro de investigación adscrito a la Vicerrectoría de Investigación de la Universidad de Costa Rica y vinculado a la Facultad de Ciencias Agroalimentarias y la Escuela de Agronomía. Es una unidad de investigación pequeña, ya que actualmente cuenta con diez plazas docentes, ocho de asistentes de laboratorio y 5,5 de personal de apoyo administrativo. Desde su creación, hace cincuenta años, el centro ha contribuido con el desarrollo del sector agroalimentario y con la sociedad costarricense, mediante la realización de investigaciones y prestación de servicios relacionados con germinación y viabilidad de semillas, análisis de calidad e inocuidad de los principales granos que se comercializan en el país, lo cual incluye el análisis de micotoxinas de gran relevancia para la salud pública, así como mejoramiento genético y selección y propagación de cultivos de relevancia nacional, por medio de técnicas convencionales y biotecnológicas. Las actividades del CIGRAS también han permitido que el consumidor cuente con un respaldo, a nivel nacional, para la verificación de estándares de calidad e inocuidad de granos y alimentos asociados. El Centro se suma entonces a los esfuerzos que realizan varias instituciones del gobierno y del sector productivo en el tema de calidad de granos y semillas. En la búsqueda de soluciones a problemas agrícolas del país, el CIGRAS desarrolla investigaciones con técnicas y equipamiento modernos y con personal altamente calificado. Además, aporta al país en el desarrollo de políticas y legislación nacional en materia de granos y semillasUniversidad de Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS