Genetic and Physiological Analyses of the Tolerance Mechanisms to Ferrous Iron Toxicity in Rice (<em>Oryza sativa</em> L.)

Abstract

Rice is a widely consumed staple food for more than half of the world population. Iron (Fe) toxicity is a major nutrient disorder affecting rice production. The understanding of the genetic and physiological basis of Fe tolerance mechanisms can provide useful information for the breeding of tolerant varieties. This thesis is structured into three major parts: (I) Quantitative trait locus (QTL) mapping using two bi-parental populations exposed to an acute Fe stress (1,000 ppm Fe²⁺ for 5 days). QTLs were detected on several chromosomes (1, 2, 3, 4, 7, 8 and 12) indicating a complex genetic structure for Fe toxicity tolerance. Some QTLs were co-localized with previously reported QTLs on chromosome 1 and 2. One tolerant recombinant inbred line (RIL) FL510 showing an Fe exclusion mechanism was investigated along with two parental lines regarding root oxidizing power. It was found that the root architecture favored the root oxidizing ability in FL510. (II) In a second chapter, a tolerant RIL carrying a shoot-based tolerance mechanism was subjected to in-depth physiological analysis comprising both transcriptomic and biochemical approaches. Three hypotheses were tested to elucidate the roles of (1) Fe uptake, transport and partitioning, (2) biosynthesis of antioxidants and (3) antioxidant enzymes in shoot-based tolerance. It was found that the tolerance in FL483 was conferred by relatively lower ascorbate redox state controlled by dehydroascorbate reductase and ascorbate oxidase activity. A pro-oxidant activity of ascorbate was demonstrated <em>in planta</em> for the first time. (III) In a third chapter, a genome-wide association study (GWAS) was employed to investigate the genetic basis of Fe tolerance with a diverse panel consisting of 329 rice accessions genotyped by 44,100 single nucleotide polymorphism (SNP) markers. Among the different rice sub-populations, temperate <em>japonica</em> and aromatic showed more tolerance than <em>indica</em> and tropical <em>japonica</em> while aus showed intermediate tolerance. Two glutathione-S-transferase genes in one locus co-localized with previously detected QTLs on chromosome 1 for the trait of leaf bronzing score. Contrasting haplotypes at this locus showed sequence polymorphism in the two candidate genes. The tolerance underlying the locus was associated with low ascorbate redox state controlled by dehydroascorbate reductase in shoots. In summary, these efforts will contribute to the breeding of more adapted varieties and to a better understanding of Fe toxicity tolerance mechanisms in plants.

Reis (<em>Oryza sativa</em> L.) ist das wichtigste Grundnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. Die übermäßige Aufnahme von Eisen (Fe) führt zu einem schwerwiegenden Nährstoffungleichgewicht, das den Reisanbau weltweit beeinträchtigen kann. Für die Züchtung von toleranten Reissorten ist es essentiell, die genetischen und physiologischen Toleranzmechanismen gegen Eisentoxizität zu verstehen. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teile: (I) Bestimmung von quantitative trait locus (QTL) in einer biparentalen Population, die akutem Eisenstress ausgesetzt wurde (1,000 ppm Fe²⁺ für 5 Tage). QTLs wurden auf etlichen Chromosomen entdeckt (1, 2, 3, 4, 7, 8 und 12), was auf eine komplexe genetische Struktur des Toleranzmechanismus hindeutet. Einige der QTLs co-lokalisierten mit bereits beschriebenen QTLs auf den Chromosomen 1 und 2. Die tolerante rekombinante Inzuchtlinie (RIL) FL510 zeichnete sich durch einen Wurzel-basierten Fe Exklusionsmechanismus aus, woraufhin die Oxidationskraft der Wurzeln untersucht wurde. Dabei zeigte sich, dass die Wurzelarchitektur der Linie FL510 deren Oxidationskraft begünstigte. (II) Im zweiten Kapitel wurde eine RIL mit Spross-basiertem Toleranzmechanismus mit Hilfe von transkriptionellen und biochemischen Analysen eingehend physiologisch charakterisiert. Die Rolle von (1) Eisenaufnahme, -transport und –verteilung; (2) Biosynthese von Antioxidantien und (3) antioxidativen Enzymen in Spross-basierten Toleranzmechanismen wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Toleranz der Linie FL483 gegenüber Eisenstress auf einem niedrigeren Ascorbat-Redox-Status basiert, der durch die Enzymaktivität der Dehydroascorbatreduktase und Ascorbatoxidase reguliert wird. Hierbei wurde erstmalig <em>in planta</em> eine prooxidative Aktivität von Ascorbat nachgewiesen. (III) Im dritten Kapitel wurde eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) durchgeführt um die genetische Grundlage von Eisen Toleranz in einem Panel von 329 diversen Reislinien zu untersuchen, die mit jeweils 44,100 Einzelnukleotid-Polymorphismen (englisch: single nucleotide polymorphisms, SNPs) genotypisiert sind. Dabei waren die temperate <em>japonica</em> und aromatischen Subpopulationen toleranter als <em>indica</em> und tropische <em>japonica</em>, während aus intermediär tolerant war. Das typische Verfärben der Blätter bei Fe Stress (“leaf bronzing”) wurde mit zwei Glutathion-S-Transferase Genen assoziiert, die mit einem bereits beschriebenen QTL auf Chromosom 1 co-lokalisierten. Gegensätzliche Haplotypen für diesen Locus zeigten Sequenzunterschiede innerhalb der beiden Kandidatengene. Damit wurde der niedrigere Ascorbat-Redox-Status aufgrund von veränderter Dehydroascorbatreduktase Aktivität im Spross in Zusammenhang gebracht. Diese Arbeit trägt zum grundlegenden Verständnis von Fe Toleranzmechanismen in Pflanzen bei sowie zur erfolgreichen Züchtung von besser angepassten Reissorten bei.