Novel Genetic Factors Affecting Bolting and Floral Transition Control in Beta vulgaris

Abou-Elwafa, Salah Fatouh

Summary Floral transition is a critical developmental switch in the plant life cycle which requires an integrated response to multiple environmental cues and endogenous signals. In A. thaliana, several major regulatory pathways, including the vernalization, photoperiod, and autonomous pathways, have been described which converge to regulate floral transition through a set of floral integrator genes. In Beta vulgaris, induction and timing of bolting and flowering directly affects both yield potential and seed production. B. vulgaris homologs of the central floral repressor gene in A. thaliana, FLOWERING LOCUS C (FLC), which functions downstream of the vernalization pathway, and the photoperiod pathway gene CONSTANS (CO) were cloned and shown to be functionally related to the respective genes in Arabidopsis. This provides first evidence for the conservation of the genetic basis of floral transition in response to environmental cues. However, the presence of an autonomous pathway which functions in parallel to the vernalization and photoperiod pathways and promotes floral transition by repression of FLC has not yet been reported for B. vulgaris. The annual habit in B. vulgaris was shown to be under the genetic control of a dominant Mendelian factor termed bolting gene (B). The B locus was mapped by RFLP- and high resolution AFLP-mapping to chromosome II. In the present study both forward and reverse genetic approaches were implemented for further discovering the genetic basis of bolting and flowering control in sugar beet. In the forward genetic approach, four F2 populations segregating for bolting behavior derived from crosses between tow EMS-mutagenized biennial and annual parents were analyzed for bolting behavior. Co-segregation analysis of bolting phenotypes with genotypic markers located at the B locus in all four F2 populations revealed at least two previously unidentified bolting control loci, B3 and B4. The data suggest that, locus B3 acting independently from the B locus in bolting behavior control. Locus B4 was found to be linked to the B locus on chromosome II (at a genetic distance of ~9 cM), and may act epistatically to or independently from the B gene in bolting control. In the reverse genetic approach, BvFLK, a putative ortholog of the RNA-regulatory autonomous pathway gene FLOWERING LOCUS KH DOMAIN (FLK), was identified, genetically mapped, and analyzed in more detail. Exon-intron structure and domain organization was found to be conserved between BvFLK and FLK. Similar to FLK expression in Arabidopsis, BvFLK transcript accumulation was detected in all plant tissues analyzed, with the highest levels of expression in flowers and roots. BvFLK accelerates bolting in transgenic A. thaliana plants and fully complements the late-bolting phenotype of an Arabidopsis flk mutant when expressed either under control of the CaMV 35S promoter or its own promoter. This acceleration in bolting time was shown to be mediated through repression of FLC expression. Together, our data suggest evolutionary conservation of the autonomous pathway gene FLK between A. thaliana and B. vulgaris. The results are likely to be of broader relevance because B. vulgaris is only distantly related to model plants and expands the spectrum of evolutionarily diverse species for which genetic information on the regulation of floral transition is increasingly available.

Zusammenfassung Der Übergang zum Blühen ist kritisch in der Entwicklung der Pflanze und benötigt eine integrierte Antwort auf verschiedene ökologische und endogene Signale. In A. thaliana wurden einige der wichtigen regulatorischen Wege beschrieben, inklusive des Vernalisations-, des Photoperioden- und des autonomen Regulationswegs, die Blühen gemeinsam durch eine Gruppe von Blühintegrationsgenen regulieren. In Beta vulgaris beeinflusst der Zeitpunkt des Schossens und Blühens den Ertrag und die Saatgutproduktion. B. vulgaris-Homologe des zentralen Blührepressors in A. thaliana FLOWERING LOCUS C (FLC), der oberhalb des Vernalisationswegs arbeitet, und das Photoperioden-Gen CONSTANS (CO) wurden kloniert, und es konnte gezeigt werden, dass sie funktionell mit den entsprechenden Genen aus Arabidopsis verwandt sind. Dies sind erste Hinweise für die Konservierung der genetischen Grundlage der Blühregulation in Antwort auf Umweltsignale. Jedoch wurde die Anwesenheit eines autonomen Wegs, der parallel zu dem Vernalisations- und dem Photoperiodenweg wirkt und Blühen durch die Repression von FLC fördert, bisher nicht in B. vulgaris beschrieben. Es wurde gezeigt, dass Einjährigkeit in B. vulgaris unter der Kontrolle eines einzelnen Mendelschen Faktors steht, des Schossgens B. Das Schossgen wurde mittels RFLP- und hochauflösender AFLP-Kartierung auf Chromosom II kartiert. In der vorliegenden Studie wurden „forward“ und „reverse“ genetische Ansätze verwendet, um die genetische Grundlage der Schoss- und Blühkontrolle in Zuckerrübe weiter zu untersuchen. Im ersten Ansatz wurden vier F2-Populationen, die für Schossverhalten spalten und aus Kreuzungen zwischen EMS-mutagenisierten und einjährigen Eltern stammen, auf Schossverhalten untersucht. Die Kosegregationsanalyse des Schossphänotypes mit genetischen Markern am B-Locus in allen vier F2-Populationen identifizierte zumindest zwei vorher unbekannte Loci, B3 und B4. Die Daten deuten an, dass der B3-Locus Schossen unabhängig von B kontrolliert. Für den B4-Locus wurde gefunden, dass er mit dem B-Locus auf Chromosom II gekoppelt ist (in einem genetischen Abstand von ~9 cM), und Schossen epistatisch oder unabhängig von B regulieren könnte. Im zweiten Ansatz wurde BvFLK, ein putatives Ortholog des RNA-regulierenden Gens FLOWERING LOCUS KH DOMAIN (FLK), ein Gen des autonomen Wegs, identifiziert, genetisch kartiert und im Detail analysiert. Es wurde gezeigt, dass die Exon-Intron-Struktur und Domänenorganisation zwischen BvFLK und FLK konserviert ist. Ähnlich der FLK Expression in Arabidopsis wurde eine Anhäufung der BvFLK Transkripte in allen untersuchten Geweben nachgewiesen, wobei die höchste Expression in Blüten und Wurzeln auftrat. BvFLK beschleunigt Schossen in transgenen A. thaliana-Pflanzen und komplementiert den spät-schossenden Phänotyp einer Arabidopsis flk-Mutante vollständig, wenn es entweder unter der Kontrolle des CaMV 35S-Promoters oder des eigenen Promoters exprimiert wird. Es wurde gezeigt, dass die Beschleunigung des Schossens durch die Repression der FLC-Expression vermittelt wird. Zusammengenommen weisen unsere Daten auf die evolutionäre Konservierung von FLK zwischen A. thaliana und B. vulgaris hin. Das Ergebnis ist vermutlich von weitererBedeutung, da B. vulgaris nur sehr entfernt mit Modellpflanzen verwandt ist und das Spektrum der evolutionär verschiedenen Arten erweitert, für die genetische Information über Blühzeitkontrolle vorhanden ist.

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Abou-Elwafa, Salah Fatouh: Novel Genetic Factors Affecting Bolting and Floral Transition Control in Beta vulgaris.

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