Molecular genetic causes of columnar growth in apple (Malus x domestica)

Abstract

The columnar growth habit of apple is interesting from an economic point of view as the pillar-like trees require little space and labor. Genetic engineering could be used to speed up breeding for columnar trees with high fruit quality and disease resistance. For this purpose, this study dealt with the molecular causes of this interesting phenotype. The original bud sport mutation that led to the columnar growth habit was found to be a novel nested insertion of a Gypsy-44 LTR retrotransposon on chromosome 10 at 18.79 Mb. This subsequently causes tissue-specific differential expression of nearby downstream genes, particularly of a gene encoding a 2OG-Fe(II) oxygenase of unknown function (dmr6-like) that is strongly upregulated in developing aerial tissues of columnar trees. The tissue-specificity of the differential expression suggests involvement of cis-regulatory regions and/or tissue-specific epigenetic markers whose influence on gene expression is altered due to the retrotransposon insertion. This eventually leads to changes in genes associated with stress and defense reactions, cell wall and cell membrane metabolism as well as phytohormone biosynthesis and signaling, which act together to cause the typical phenotype characteristics of columnar trees such as short internodes and the absence of long lateral branches. In future, transformation experiments introducing Gypsy-44 into non-columnar varieties or excising Gypsy-44 from columnar varieties would provide proof for our hypotheses. However, since site-specific transformation of a nested retrotransposon is a (too) ambitious objective, silencing of the Gypsy-44 transcripts or the nearby genes would also provide helpful clues.

Das Kolumnarwachstum von Apfelbäumen ist eine wirtschaftlich interessante Wuchsform, da die säulenförmig wachsenden Bäume wenig Platz und Arbeitseinsatz erfordern. Gentechnologische Ansätze könnten zukünftig dazu verwendet werden, die Züchtung kolumnarer Bäume mit hoher Fruchtqualität und Krankheitsresistenz zu beschleunigen. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit den molekulargenetischen Ursachen dieses interessanten Phänotyps. Die ursprüngliche Sprossmutation, welche in den 1960er Jahren zum Kolumnarwachstum führte, wurde als neue Insertion des LTR-Retrotransposons Gypsy-44 in ein anderes LTR-Retrotransposon auf Chromosom 10 an Position 18,79 Mb identifiziert. Diese führt zur gewebespezifischen differentiellen Expression benachbarter, downstream liegender Gene, insbesondere eines für eine 2OG-Fe(II)-Oxygenase unbekannter Funktion kodierenden Gens (dmr6-like), das in oberirdischen, sich entwickelnden Geweben kolumnarer Bäume stark hochreguliert ist. Die Gewebespezifität der differentiellen Genexpression deutet auf den Einfluss cis-regulatorischer Regionen bzw. gewebespezifischer epigenetischer Marken hin, deren Effekt auf die Genexpression aufgrund der Retrotransposon-Insertion verändert ist. Dies führt im Folgenden zu Veränderungen der Aktivität von Genen, die an Stress- und Abwehrreaktionen, dem Metabolismus von Zellwand- und Zellmembran-Komponenten sowie der Biosynthese und den Signalwegen von Phytohormonen beteiligt sind. Gemeinsam verursachen diese Veränderungen die Ausbildung der typischen phänotypischen Charakteristika kolumnarer Apfelbäume wie verkürzte Internodien und das Fehlen langer Seitenäste. In Zukunft könnten Transformationsexperimente, in denen Gypsy-44 in nicht-kolumnare Apfelsorten eingefügt oder aus kolumnaren Apfelsorten herausgeschnitten wird, weitere Beweise für unsere Hypothesen erbringen. Da die ortsspezifische Transformation eines Restrotransposons vermutlich ein (zu) ehrgeiziges Ziel ist, könnte auch der Knock-down der Transkripte von Gypsy-44 oder der benachbarten Gene hilfreiche Hinweise liefern.