Genetics of Pooideae freezing tolerance : an evolutionary perspective

Abstract

Freezing tolerance is an important agricultural trait for forage and cereal grasses belonging to the Pooideae sub-family. Many plants, including the Pooideae grasses, go through a cold acclimation (CA) process when exposed to low temperatures to acquire elevated levels of freezing tolerance. In four papers presented in this thesis we have investigated different genetic and evolutionary aspects of cold acclimation (CA) and freezing tolerance in Pooideae grasses. The two first papers (I and II) deal with transcriptional responses to low temperature exposure and association of genetic variation with freezing tolerance levels. We generated sequences from 372 transcribed genes putatively involved in CA in the perennial forage grass Festuca pratensis Huds.. Seven of these genes were differentially regulated between plants with highand low freezing tolerance following CA, representing good candidates for further investigations into the mechanisms underlying phenotypic differences in freezing tolerance. We also analysed differences in genomic constitution of plants with divergent freezing tolerance in a Lolium x Festuca hybrid grass population using Diversity Array Technology (DArT) markers. Three regions on the Festuca and Lolium chromosomes 2, 4, and 7 contained DArT markers associated with the freezing tolerance phenotype. In Papers III and IV we take on a different angle and investigate patterns of molecular evolution in genes and genetic pathways involved in freezing tolerance in the entire Pooideae lineage. Evolution of a novel ice-binding domain and multiple Pooideae specific duplication of genes involved in freezing tolerance occurred in early Pooideae evolution. The initial duplication events giving birth to these Pooideae specific genes are clustered in the Eocene-Oligocene (E-O) global climate cooling period, ~34-26 million years (My) ago. We hypothesize that the E-O paleoclimatic shift was important in adaptive evolution of the molecular mechanisms fundamental for Pooideae freezing tolerance and adaptation to Cold climates.

Frosttoleranse er en viktig karakter for jordbruksgress (enggras og korn) tilhørende Pooideaeunderfamilien. Mange planter, inkludert Pooideae-grasartene, er avhengig av å gå igjennom en kuldeakklimatiseringsperiode for å øke nivået av frosttoleranse og dermed sikre god vinteroverlevelse. I de fire artiklene presentert i denne oppgaven studerer vi ulike aspekt av de genetiske systemene involvert i kuldeakklimatisering (KA) og frosttoleranse i Pooideae-arter. I de to første artiklene (I og II) studerer vi gener som blir regulert under KA-prosessen og assosierer ulike typer genetisk variasjon med frosttoleranse i populasjoner av fôrgress. Vi genererte 372 sekvenser fra gener involvert i KA i engsvingel (Festuca pratensis Huds.). Av disse genene var 7 ulikt regulert under KA-prosessen mellom planter med høy- og lav frosttoleranse og er derfor meget gode kandidater for funksjonell genetisk variasjon som ligger til grunn for ulikt nivå av frosttoleranse. Vi undersøkte også sammenhengen mellom genomisk variasjon og frosttoleranse i en Festuca x Lolium hybridpopulasjon og fant tre kromosomområder, henholdsvis på kromosom 2, 4 og 7, som var assosiert med frysetoleranse. I de to siste artiklene er fokuset molekylære evolusjonsprosesser som har vært med å forme genene og de molekylære prosesser involvert i frosttoleranse i alle Pooideae-artene. Evolusjon av et nytt is-bindende proteindomene og flere duplikasjoner av gener involvert i frosttoleranse forekom tidlig i Pooideae-evolusjonen. De første av disse Pooideae-spesifikke duplikasjonene skjedde under en global kuldeperiode ved overgangen mellom Eocene-Oligocene (E-O) for ~34-26 millioner år siden. Vi foreslår derfor en hypotese om at klimaet under E-O kuldeperioden var viktig for evolusjon av molekylære prosesser involvert i frosttoleranse og Pooideae-artenes tilpasning til kalde klima