Identyfikacja mechanizmów fizjologicznych i genetycznych warunkujących niezaburzony wczesny rozwój siewek kukurydzy (Zea mays L.) w chłodzie

Chłód jest jednym z podstawowych czynników ograniczających wzrost i plonowanie wielu roślin uprawnych. Problem ten dotyczy także kukurydzy, która pomimo swojego tropikalnego pochodzenia, osiągnęła niebywały sukces i obecnie uprawiana jest niemal pod każdą szerokością geograficzną. Dokładny mechanizm leżący u podstawy tego zjawiska nie jest jednak poznany. W warunkach klimatu umiarkowanego stres chłodu pojawia się najczęściej wczesną wiosną, podczas wschodów kukurydzy i jej przechodzenia ze stadium autotroficznego w heterotroficzne. W przedstawionej pracy podjęto próbę weryfikacji dwóch wzajemnie wykluczających się hipotez badawczych. Pierwsza z nich mówi, że kseromorficzny pokrój pędu może wpływać pozytywnie na tolerancję chłodu siewek kukurydzy na wczesnym etapie rozwoju. Druga, że adaptacja do warunków klimatu umiarkowanego była związana ze spadkiem wrażliwości na światło. Analizy fizjologiczne i biochemiczne czterech linii kukurydzy różniących się poziomem tolerancji chłodu pokazały, że linie tolerancyjne charakteryzowały się pędem o mniejszych rozmiarach, podwyższoną zawartością pigmentów oraz sprawniejszym aparatem fotosyntetycznym w warunkach stresu chłodu. Ponadto, posiadały krótszy mezokotyl w stosunku do linii chłodowrażliwych. Taki fenotyp może być utożsamiany ze zwiększoną wrażliwością na światło. Powyższe obserwacje zostały zweryfikowane na większej próbie badawczej składającej się z 21 linii wsobnych kukurydzy poprzez pomiary długości mezokotyla oraz aktywności aparatu fotosyntetycznego w warunkach stresu chłodu. Zaobserwowano negatywną korelację pomiędzy tymi dwoma cechami. Linie, które posiadały krótszy mezokotyl, a co za tym idzie większą wrażliwość na światło, charakteryzowały się także wyższą sprawnością aparatu fotosyntetycznego. W celu wytypowania genów odpowiedzialnych za regulację długości mezokotyla przeprowadzono analizę asocjacyjną w skali genomu z użyciem 300 liniach wsobnych kukurydzy. Umożliwiła ona identyfikację dwóch genów, bezpośrednio zaangażowanych w regulację homeostazy auksyn, co wskazuje na istotną rolę tych hormonów w regulacji wydłużania tego organu.

Cold is one of the main limiting factor for plant breeding in temperate climate. Despite it’s tropical origin, maize become one of the most successful crop and it’s breed all around the world nowadays. Direct mechanism underlying this phenomena remains largely unknown. In temperate climate, cold stress usually appears at early spring, during seed germination and it’s transition from autotrophic to heterotrophic growth. In presented PhD thesis, two opposite hypothesis was tested. First of theme tells that xeromorphic growth habit leads to increase cold tolerance of maize seedling at early stage of development. Second one, that decreasing in light sensitivity during photomorphogenesis stage was involved in maize adaptation to temperate climate. Physiological and biochemical analysis of four maize inbred lines represented different levels of fitness under cold conditions showed that cold-tolerant lines had smaller shoot, higher level of pigment concentration in leaves and more efficient photosynthetic apparatus at cold conditions. Moreover, they had also shorter mesocotyl compared to the cold-sensitive lines. Such phenotype can be results of higher light-sensitivity of cold-tolerance lines. This observations was then confirmed on bigger panel with 21 maize inbred lines. Mesocotyl length and activity of photosynthetic apparatus was measured in cold conditions and negative correlation was found between this two traits. Lines with shorter mesocotyl, and hence, higher light-sensitivity had also more efficient photosynthetic apparatus. In order to identify genes involved in mesocotyl length regulation genome- wide association study was performed on 300 maize inbred lines. Two genes was found. Both of theme are responsible for auxin homeostasis, with highlight important role of this hormone in regulation maize mesocotyl.