Gatersleben, Germany
08.06.2023
Leaf and floral tissue degeneration are common features in plants. In cereal crops such as barley, pre-anthesis tip degeneration (PTD) starts with growth arrest of the inflorescence meristem dome. To elucidate the molecular underpinnings of inflorescence PTD, an international research team led by IPK Leibniz-Institute combined different approaches to show that barley inflorescence PTD is accompanied by sugar depletion, amino acid degradation, and abscisic acid responses. Furthermore, the research team identified GRASSY TILLERS1 (HvGT1) as an important modulator of inflorescence PTD. The results have been published in “Plant Cell”.
Barley possesses an indeterminate 'spike'-type inflorescence that forms basic floral structures, called spikelets, in a distichous pattern along its central axis (termed rachis). Each rachis node in the barley spike produces three (one central and two lateral) spikelets.
At the end of spikelet primordia initiation along the rachis marks the stage of maximum yield potential. Subsequently, the inflorescence meristem dome starts to collapse, followed by gradual basipetal degeneration of spikelet primordia and spikelets until a specific position along the spike is reached. “We show that up to 50% of the initiated floral primordia are aborted before anthesis, representing an untapped yield potential”, says Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, head if IPK’s research group “Plant Architecture”. “Understanding the molecular underpinnings of spike PTD may thus help improve grain yield in cereals.”
Due to its quantitative nature and environmental sensitivity, inflorescence PTD constitutes a complex mechanism affecting final grain number. This mechanism appears to be predictable and heritable, consistent with a developmental programme. Photosynthesis, immature spike greening, and energy metabolism appear to be significant contributors to proper spikelet growth and differentiation and were restricted to basal and central spike parts. The researchers discovered, however, that the degenerating apical spike region undergoes sugar and amino acid depletion along with enhanced abscisic acid biosynthesis and signaling.
“Moreover, we functionally validated one of the apically expressed transcription factor genes, barley GRASSY TILLERS1 (HvGT1) an ortholog of maize GT1, as a growth repressor of apical spikelet development”, emphasises Nandhakumar Shanmugaraj, first author of the study. Site-directed Hvgt1 mutants in barley delayed the onset of spike PTD and produced more differentiated apical organs, resulting in significantly more fertile spikelets/florets and increased final spikelet number. “This is the first report on the molecular underpinnings of barley inflorescence PTD; however, here we not only provide a molecular framework for barley but also for related cereals of the Triticeae tribe (e.g., wheat, rye).”
“We believe that the molecular elucidation of PTD in barley will also stimulate future research directions on the evolution of related genes on growth suppression in other plants beyond crop species”, says Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch. As barley is amongst the most important cereal crops in the world, better exploiting its spike yield potential can thus contribute to world food security and thereby directly help fight against hunger threats imposed by climate change, and natural or war disasters.
Original publication:
Shanmugaraj et al.: (2023) Multilayered regulation of developmentally programmed pre-anthesis tip degeneration of the barley inflorescence.
Plant Cell.
DOI: 10.1093/plcell/koad164
Verständnis der Blütendegeneration bei Gerste erschließt höheres Ertragspotenzial
Bei Pflanzen kommt es oft zu einer Degenration von Blatt- und Blütengewebe. Diese Degeneration beginnt bei Getreidepflanzen wie Gerste mit einem Wachstumsstillstand der Ährenspitze. Um die molekularen Grundlagen der Degeneration der Ährenenspitzen während der Vorblüteentwicklung (PTD) aufzuklären, nutzte ein internationales Forschungsteam unter Führung des IPK Leibniz-Instituts verschiedene Ansätze und zeigte, dass die Gersten-PTD zu Zucker- und Aminosäureabbau und einer Abscisinsäure-Reaktionen führt. Zudem identifizierte das Forschungsteam das Gen GRASSY TILLERS1 (HvGT1) als wichtigen Modulator der PTD. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Plant Cell“ veröffentlicht.
Gerste besitzt einen nicht determinierten, ährenartigen Blütenstand, der entlang seiner Mittelachse (Rachis) in einem wechselständigen Muster grundlegende Blütenstrukturen bildet, die sogenannten Ährchen. An jedem Sprossknoten der Ähre bilden sich letztlich drei Ährchen (ein zentrales und zwei seitliche).
Das Ende der Ährchenentwicklung entlang der Spindel markiert dabei das Stadium des maximalen Ertragspotenzials. Anschließend beginnt die Ährenspitze, das sogenannte Meristem, zu kollabieren. Danach degenerieren Ährchenprimordien und Ährchen von der Spitze herunter. „Wir konnten zeigen, dass bis zu 50 Prozent der Blütenansätze vor der Blüte absterben, was ein ungenutztes Ertragspotenzial darstellt", sagt Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch, Leiter der IPK-Forschungsgruppe „Pflanzenarchitektur“. „Das Verständnis der molekularen Grundlagen der Ährenbildung kann daher dazu beitragen, den Kornertrag zu verbessern.“
Aufgrund ihres komplexen Charakters und ihrer Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen ist die PTD ein Mechanismus, der die endgültige Kornzahl entscheidend beeinflusst. Dieser Prozess ist vorhersagbar und erblich. Photosynthese, die Ergrünung der unreifen Ähre sowie der Energiestoffwechsel tragen wesentlich zum Wachstum und zur Differenzierung der basalen und zentralen Teile der Ähre und Ährchen bei. Die Forscher entdeckten nun, dass in der degenerierenden Ährenspitze Zucker- und Aminosäureabbau zusammen mit einer verstärkten Abscisinsäure-Biosynthese und -Signalgebung stattfindet.
„Außerdem haben wir das Transkriptionsfaktorgen, Gerste GRASSY TILLERS1 (HvGT1), als einen Wachstumsrepressor der Ährchenentwicklung identifiziert", erläutert Nandhakumar Shanmugaraj, Erstautor der Studie. Hvgt1-Mutanten verzögerten den Beginn der PTD und bildeten differenziertere Ährchen an der Ährenspitze aus. Dies führt zu letztlich deutlich mehr fruchtbaren Ährchen/ Blüten. „Erstmals konnten wir die molekularen Grundlagen für das große, nicht genutzte Ertragspotenzial erklären. Unsere Studie liefert aber nicht nur den molekularen Rahmen für Gerste, sondern auch für verwandte Getreidearten des Stammes der Triticeae wie Weizen und Roggen.“
„Wir glauben, dass dies auch zukünftige Arbeiten zur Evolution von verwandten Genen zur Wachstumsunterdrückung in anderen Pflanzen jenseits der Nutzpflanzen anregen wird“, sagt Prof. Dr. Thorsten Schnurbusch. Da Gerste zu den wichtigsten Getreidepflanzen der Welt gehört, kann eine bessere Nutzung ihres Ährenertragspotenzials einen Beitrag zur weltweiten Ernährungssicherheit leisten und damit direkt zur Bekämpfung der durch den Klimawandel, Natur- oder Kriegskatastrophen verursachten Hungergefahren beitragen.
Originalpublikation:
Shanmugaraj et al.: (2023) Multilayered regulation of developmentally programmed pre-anthesis tip degeneration of the barley inflorescence.
Plant Cell.
DOI: 10.1093/plcell/koad164
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