A new version of this entry is available:
Loading...
Doctoral Thesis
2021
Dissecting the genetic basis of root- and rhizosphere-related phosphorususe efficiency in European elite maize (Zea mays L.) lines and landraces
Dissecting the genetic basis of root- and rhizosphere-related phosphorususe efficiency in European elite maize (Zea mays L.) lines and landraces
Abstract (English)
In agriculture, farmers massively apply P fertilizer to maintain high yield. Due to the long-term high fertilization rates and long-term organic residue accumulation, the total P pool per hectare has increased between 1900 and 2020. Since modern varieties have often been selected in high-nutrient input conditions for high yields, concerns are being raised that the beneficial traits for P uptake under a limited P supply will gradually decline in elite varieties. Regarding to maize (Zea mays L.), thousands of varieties have been bred since it was domesticated as a food product. It is an open question whether traits and genes related to P deficiency in European maize have changed since the Green Revolution, the start of hybrid breeding and high-intensity fertilization. This is the core research question of this dissertation. Here I present the analysis of roots in response to P deficiency using a diverse panel of European maize genotypes via several experiments. In Chapter I, we focus on whether maize seedlings of the flint and dent heterotic pools vary in the P acquisition and utilization since the onset of hybrid breeding using 34 genotypes in mini-rhizotrons. These genotypes included 16 flint lines that were released over more than five decades ago, 7 doubled haploid lines from the flint landraces (DH_LR), 8 dent lines, and 3 hybrids. Seedling P use efficiency (PUE) and related traits were measured and compared at two P levels in a calcareous soil. In Chapter II, we compared the root exudated organic acids and mycorrhizal fungi colonization degree among 24 genotypes which have been evaluated in Chapter I. These genotypes included 16 flint lines, 6 DH_LR and 2 old dent lines. Seedling colonization with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and organic acid anion release were measured. P-uptake-related root traits were compared under P-sufficient and P-deficient conditions. In Chapter III, using nearly isogenic maize lines, the B73 wild type and the rth3 root hairless mutant, we quantified the effect of root hairs and AMF infection in a calcareous soil under P deficiency. Wild-type root hairs extended the rhizosphere for acid phosphatase activity by 0.5 mm compared with the rth3 hairless mutant. Total root length of the wild type was longer than that of rth3 under P deficiency. Higher AMF colonization and mycorrhiza-induced phosphate transporter gene expression were identified in the mutant under P deficiency, but plant growth and P acquisition were similar between mutant and the wild type. The mycorrhizal dependency of maize was 33 % higher than the root hair dependency. Root hairs and AMF inoculation are two alternative ways to increase Pi acquisition under P deficiency, but these two strategies compete with each other. In Chapter IV again two nearly isogenic maize lines, the B73 wild type and the rth2 root hairless mutant, were used to address the importance of root hairs during drought and under P deficiency. The results indicate that drought and P deficiency synergistically impair maize growth; while P concentrations were little affected by the loss of root hairs, the P content was massively reduced at combined stress, showing that P deficiency is much more severe under drought.
In Chapter V, we first compared the root traits response to low P and high P of six preselected genotypes in European flint in Chapter I. We then generated RNA libraries from the roots of these lines under both low P and high P. Using an expressed genes matrix, we conducted a Weighted Genomic Coexpression Network Analysis (WGCNA), and detected general low P-induced modules and modules that were higher in founder flints. The P deficiency-responsive metabolic processes common to all six genotypes included: (1) acceleration of carbon supply for organic acid synthesis through glycolysis and TCA cycle; (2) alteration of lipid metabolism; (3) changes of activity of transmembrane transporters; (4) carotenoid metabolism. Additionally, the founder flint line EP1, F2 and doubled haploid landrace SM1 have their specific strategies and mechanism to cope with low P. Our findings well support other studies with transcriptome, proteome and metabolome experiments in maize and other species, and point to molecular events involved in the efficient alleviation of P stress in efficient maize accessions.
Altogether, this study presents informative analyses in how maize genotypes with distinct breeding history adapt to P deficiency in regard of root, rhizosphere traits and root transcription. It showed correlation between phenotypic traits and gene transcription, which is much more complex than previously reported. It also opened a novel insight into molecular regulation on Pi utilization, resulting in promotion of vegetative biomass in P deficiency. These findings will also provide precious knowledge for plant breeders and agronomists who work on P research in maize and other cereal crops.
Abstract (German)
In der Landwirtschaft düngen die Landwirte massiv P-Dünger, um den Endertrag zu erhalten. Aufgrund der langfristig hohen Düngung und der langfristigen Anreicherung organischer Rückstände hat sich der Gesamt-P-Pool pro Hektar zwischen 1900 und 2020 erhöht. Da moderne Sorten häufig unter Bedingungen mit hoher Nährstoffversorung für hohe Erträge ausgewählt wurden, werden Bedenken laut, dass vorteilhafte Eigenschaften für die P-Aufnahme bei einem begrenzten P-Angebot bei Elite-Sorten allmählich abnehmen. In Bezug auf Mais (Zea mays L.) wurden Tausende von Sorten gezüchtet, seit er als Lebensmittel domestiziert wurde. Inwiefern sich seit der Grünen Revolution durch Hybridzüchtung und hochintensive Düngung entsprechende Merkmale und Gene des P-Mangels bei europäischem Mais verändert haben, ist ungeklärt. Dies herauszufinden ist die zentrale Forschungsfrage in dieser Dissertation. Ich untersuche dazu Wurzeln in Reaktion auf einen P-Mangel in einem Panel europäischer Maisgenotypen in mehreren Experimenten. In Kapitel I konzentrieren wir uns darauf, ob sich die frühe Maisentwicklung von Genotypen der heterotischen Pools Flint/Dent seit Beginn der Hybridzüchtung verändert hat. Dabei kamen 34 Genotypen in Mini-Rhizotron bei zwei P-Stufen zum Einsatz. Diese Genotypen umfassten 16 Flintlinien, die zum Teil vor mehr als sechs Jahrzehnten zugelassen wurden, 7 doppelte haploide Linien, die aus den Flint-Landrassen entwickelt wurden (DH_LR), 8 Dentlinien und 3 ihrer Hybride. Die Effizienz der P-Nutzung (PUE) von jungen Pflanzen und zugehörige Merkmale wurden in einem kalkhaltigen Boden verglichen. In Kapitel II verglichen wir den Besiedlungsgrad der Wurzel mit Mycorrhizapilzen und die Menge und Typ der exudierten organischen Säuren anhand von 24 Genotypen, die bereits in Kapitel I untersucht wurden. Diese Genotypen umfassten 16 Flintlinien, 6 DH_LR und 2 alte Dentlinien. Die Wurzelbesiedlung mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF) und die Ausschüttung von organischen Säureanionen wurden gemessen. P-Aufnahme und Wurzelmerkmale wurden unter ausreichendem P und unter P-defizienten Bedingungen verglichen. In Kapitel III haben wir unter Verwendung nahezu isogener Maislinien, des B73-Wildtyps und der rth3-wurzelhaarlosen Mutante, die Wirkung von Wurzelhaaren und von AMF-Infektionen in einem kalkhaltigen Boden unter P-Mangel quantifiziert. Die Gesamtwurzellänge des Wildtyps war länger als die von rth3 unter P-Mangel. Eine höhere AMF-Kolonisierung und Mykorrhiza-induzierte Phosphattransporter-Genexpression wurden in der Mutante unter P-Mangel identifiziert, aber das Pflanzenwachstum und die P-Akquisition waren zwischen Mutante und Wildtyp ähnlich. Die Mykorrhiza-Abhängigkeit von Mais war 33% höher als die Wurzelhaar-Abhängigkeit.In Kapitel IV wurden erneut zwei nahezu isogene Maislinien verwendet, der B73-Wildtyp und die rth2-Wurzelhaarlose Mutante, um die Bedeutung von Wurzelhaaren während Wassermangel und unter P-Mangel zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass Trockenheit und P-Mangel das Maiswachstum synergistisch beeinträchtigen. Während die P-Konzentrationen durch den Verlust von Wurzelhaaren wenig beeinflusst wurden, war der P-Gehalt bei kombiniertem Stress massiv verringert, was zeigt, dass der P-Mangel sich unter Trockenheit viel schwerwiegender auswirkt. In Kapitel V haben wir zuerst die Reaktion der Wurzelmerkmale auf niedrigen P und hohen P von sechs vorausgewählten Genotypen in europäischem Flint aus Kapitel I verglichen. Anschließend haben wir mRNA-Transkriptome aus den Wurzeln dieser Linien sowohl unter niedrigem P als auch unter hohem P isoliert. Mit diesen Daten führten wir anschließend eine gewichtete Koexpression-Netzwerkanalyse (WGCNA) durch und entdeckten allgemeine Module, die mit niedriger P-Versorgung höher exprimiertwurden. Die auf P-Mangel reagierenden Stoffwechselprozesse und genetische Anpassungen, die allen sechs Genotypen gemeinsam sind, umfassten: (1) Veränderung des Kohlenstoffwechsels für die Synthese organischer Säuren durch Glykolyse und TCA-Zyklus; (2) Veränderung des Lipidstoffwechsels; (3) Aktivitätsänderungen von Transmembrantransportern; (4) Carotinoidstoffwechsel. Zusätzlich haben die effizienten Flint Linien EP1, F2 und die doppelt haploide Landrasse SM1 ihre spezifischen Strategien und Mechanismen, um mit niedrigem P Angebot fertig zu werden. Insgesamt präsentiert diese Arbeit Details, wie sich Maisgenotypen mit unterschiedlicher Zuchtgeschichte hinsichtlich Wurzel-, Rhizosphären-Merkmalen und Wurzeltranskription an P-Mangel anpassen. Diese Erkenntnisse werden auch Pflanzenzüchtern und Agronomen wertvolles Wissen liefern, die an der P-Forschung in Mais und anderen Getreidekulturen arbeiten.
File is subject to an embargo until
This is a correction to:
A correction to this entry is available:
This is a new version of:
Notes
Publication license
Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2021-06-16
Supervisor
Edition / version
Citation
Identification
DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Li2021,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6628},
author = {Li, Xuelian},
title = {Dissecting the genetic basis of root- and rhizosphere-related phosphorususe efficiency in European elite maize (Zea mays L.) lines and landraces},
year = {2021},
school = {Universität Hohenheim},
}