Map-based cloning of the gene albostrians in barley

Abstract

Die Identifizierung des albostrians Gens erfolgte mittels Karten-basiertem Klonieren. Begonnen wurde mit der Kartierung in zwei kleinen F2-Kartierungspopulationen, MM4205 und BM4205, die zur Lokalisierung des Genes auf dem langen Arm von Gerstenchromosom 7H führte. Durch Kartierung mit hoher Auflösung in Verbindung mit extensiver Markersättigung konnte der betreffende DNA-Bereich schrittweise von anfangs 14,29 cM auf schließlich 0,06 cM eingeschränkt werden, wobei insgesamt 1344 F2-Pflanzen analysiert wurden. Zwischen den nächsten flankierenden genetischen Markern konnte in einem Bereich von 46 Kbp ein einzelnes Gen identifiziert werden. Durch Sequenzvergleich des abgeleiteten Genprodukts mit Einträgen in Datenbanken konnte das Protein der CMF-Genfamilie putativer Transkritionsregulatoren mit DNA-bindenden oder Protein-Protein-Wechselwirkungs-Eigenschaften zugeordnet werden. Eine erste Bestätigung der Identität des Kandidatengens mit dem albostrians-Gen konnte durch Analyse einer EMS-induzierten TILLING-Population (abgeleitet von der Gerstensorte ‚Barke’) erreicht werden. Unter den 42 gefundenen induzierten Mutationen gab es eine Mutation, die zu einem vorzeitigen Stopcodon und damit nach der Translation potenziell zu einem verkürztem Protein führt. Die Nachkommenschaft dieser heterozygoten Mutante spaltete in grüne und albino Pflanzen auf. Der albino-Phänotyp war perfekt mit dem homozygoten Status der nonsense-Mutation in den untersuchten 245 M4-Nachkommen von fünf heterozygoten M3-Pflanzen der Mutantenfamilie verbunden. Nach transienter Transformation von Gerstenblatt-Epidermiszellen mittels biolistischem Cobombardement von ALBOSTRIANS::GFP-Fusionsprotein mit dem mCherry-markierten Organellenmarker pt-rk-CD3-999 konnte die Lokalisation des ALBOSTRIANS-Proteins in den Plastiden und im Kern beobachtet werden.

Map-based cloning was employed for identification of the albostrians gene. Starting with mapping in two small F2 mapping populations, MM4205 and BM4205, the locus could be assigned to the long arm of barley chromosome 7H. High-resolution genetic mapping in conjunction with extensive marker saturation allowed to reduce the genetic target interval iteratively from initially 14.29 cM to finally 0.06 cM by analyzing a total of 1344 F2 plants. A single gene could be identified in a physical distance of 46 Kbp between the closest flanking genetic markers. Functional annotation of the deduced protein revealed it to represent a member of the CMF gene family of putative transcriptional regulators comprising DNA binding or protein-protein interaction properties. The identified candidate gene was first confirmed by screening an EMS-induced TILLING population derived from barley cv. ‘Barke’. Among the 42 identified induced mutations a single mutation introduced a premature stop codon potentially resulting in a shorter protein upon translation. Progeny of this heterozygous mutant segregated for green and albino plants. The albino phenotype was perfectly linked with the homozygous state of the stop codon mutation in 245 M4 offspring of five heterozygous M3 plants of the mutant family. Transient transformation by biolistic co-bombardment of barley epidermal cells with an ALBOSTRIANS::GFP fusion protein and an mCherry labelled organelle marker pt-rk-CD3-999 revealed the ALBOSTRIANS protein is targeting to plastids and nucleus.