Mutations in FT-, TFL1-, and FRI paralogs of rapeseed (Brassica napus L.) and their effect on flowering time and heterosis

Guo, Yuan

The transition from vegetative to reproductive development is a key developmental step in the life cycle of a flowering plant. Floral transition is a complex biological process, which is controlled by multiple flowering genes that respond to environmental cues and endogenous signals. Arabidopsis thaliana is an excellent model system for the Brassicaceae plant family. This study deals with three major flowering time regulators from oilseed rape (Brassica napus), an allopolyploid species which originated from natural hybridization between B. rapa and B. oleracea. The aim of this study was to identify and characterize B. napus orthologs of the A. thaliana flowering time genes FT, TFL1 and FRI. First, I searched the NCBI and Brassica databases to identify paralogs of FT, TFL1 and FRI in rapeseed. Then, I designed paralog specific primers to search for mutations in three genes (BnC6FTa/b, BnTFL1-2, BnaA.FRI.a) using a TILLING mutant population of the European winter type oilseed rape Express 617. Altogether, 117 mutants were identified. Four non-sense and twenty missense mutant lines (M3) were further characterized. Homozygous M3 lines were produced by selfing M2 plants. They were grown in the greenhouse and their flowering time as well as yield components were analysed. BnFT paralogs contributed differently to flowering time regulation. Despite the redundancy of mutations in a single gene, either nonsense or missense mutations in the BnC6FTb gene resulted in a marked flowering delay, whereas all five BnC6FTa mutant lines started flowering as the non-mutated parent. Mutations within the BnTFL1-2 paralog had no large effects on flowering time but on yield components. F1 hybrids between BnTFL1-2 mutants and non-mutated parents had increased seed numbers per pod and total seeds per plant suggesting that heterozygous mutations in a TFL1 paralog may impact heterosis in rapeseed. Mutations within the BnaA.FRI.a paralog showed pleiotropic effects beyond the regulation of flowering time. Moreover, the expression of the mutant alleles and their downstream genes were analysed. To my surprise, a splice site mutation of BnC6FTb, and even a missense mutation of BnaA.FRI.a had an effect on the transcriptional activities of two downstream flowering time regulators, BnSOC1 and BnAP1 despite the presence of multiple paralogs. Moreover, the expression of three BnFLC paralogs was altered due to a missense mutation in a single BnFRI paralog. This demonstrates multiple interactions between BnFRI and BnFLC paralogs in an allopolyploid species.

Der Übergang von der vegetativen zur reproduktiven Entwicklung ist ein wichtiger Entwicklungsschritt im Lebenszyklus einer Blütenpflanze. Die Blühinduktion ist ein komplexer biologischer Vorgang, der durch mehrere Blühgene gesteuert wird, die auf Umweltreize und endogene Signale reagieren. Arabidopsis thaliana ist ein ausgezeichnetes Modellsystem für die Pflanzenfamilie der Brassicaceae. Diese Studie befasst sich mit drei wesentlichen Blühregulatoren aus Raps (Brassica napus), einer allopolyploiden Art, die durch natürliche Hybridisierung aus B. rapa und B. oleracea entstanden ist. Das Ziel dieser Studie war die Identifizierung und Charakterisierung von B. napus Orthologen der A. thaliana Blühzeittgene FT, TFL1 und FRI. Zuerst durchsuchte ich die NCBI und Brassica Datenbanken, um Paraloge von FT, TFL1 und FRI in Raps zu identifizieren. Dann entwarf ich paralog-spezifische Primer für die Suche nach Mutationen in drei Genen (BnC6FTa/b, BnTFL1-2, BnaA.FRI.a) unter Verwendung einer TILLING Mutantenpopulation aus der europäischen Winterrapssorte Express 617. Insgesamt wurden 117 Mutanten identifiziert. Vier non-sense und zwanzig missense Mutantenlinien (M3) wurden näher charakterisiert. Homozygote M3 Linien wurden durch Selbstung von M2 Pflanzen erzeugt. Sie wurden im Gewächshaus angezogen und sowohl der Blühzeitpunkt als auch Ertragskomponenten analysiert. BnFT-Paraloge trugen unterschiedlich zur Regulation des Blühzeitpunkts bei. Trotz der Redundanz von Mutationen in einem einzigen Gen führten sowohl non-sense als auch missense Mutationen im Gen BnC6FTb zu einer deutlichen Verzögerung der Blüte, während alle fünf BnC6FTa Mutantenlinien zur gleichen Zeit wie die nicht mutierten Eltern blühten. Mutationen innerhalb des BnTFL1-2-Paralogs hatten keine großen Auswirkungen auf den Blü hzeitpunkt, jedoch auf die Ertragskomponenten. F1-Hybriden zwischen BnTFL1-2 Mutanten und nicht mutierten Eltern wiesen eine erhöhte Samenzahl pro Schote und pro Pflanze auf, was darauf hindeutet, dass heterozygote Mutationen in einem TFL1-Paralog eine Auswirkung auf die Heterosis in Raps haben könnten. Mutationen innerhalb des BnaA.FRI.a-Paralogs zeigten zusätzlich zur Regulation des Blü hzeitpunkts pleiotrope Effekte. Darüber hinaus wurde die Genexpression der mutierten Allele und ihrer nachgeschalteten Gene analysiert. Zu meiner Überraschung hatten eine splice site Mutation von BnC6FTb und sogar eine missense Mutation von BnaA.FRI.a einen Einfluß auf die Transkriptionsaktivitäten der zwei nachgeschalteten Blü hregulatoren BnSOC1 und BnAP1 trotz des Vorhandenseins mehrerer Paraloge. Des weiteren wurde die Expression von drei BnFLC Paralogen durch eine missense Mutation in einem einzigen BnFRI Paralog verändert. Dies zeigt, dass vielfältige Wechselwirkungen zwischen BnFRI und BnFLC Paralogen in einer allopolyploiden Art bestehen. Diese Studie entschlüsselte die Funktion verschiedener FT-, TFL1- und FRI-Paraloge in B. napus. Sie lieferte Pflanzenmaterial mit neuen mutierten Allelen, das eine wertvolle Ressource darstellen kann, um die genetische Basis der Rapszüchtung zu erweitern. Darüber hinaus verweist sie auf eine mögliche Rolle von BnTFL1 Mutationen bei der Heterosis.

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Guo, Yuan: Mutations in FT-, TFL1-, and FRI paralogs of rapeseed (Brassica napus L.) and their effect on flowering time and heterosis. 2015.

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