Identification of factors limiting fruit set in tomato (Solanum lycopersicum L.) with the aim of genetic improvement of heat tolerance [Elektronische Ressource] / von Esther Mitterbauer

Esther Mitterbauer

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2008
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• Langue: English
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Extrait

Identification of factors limiting fruit set
in tomato (Solanum lycopersicum L.) with the aim of genetic
improvement of heat tolerance


Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung
des akademischen Grades eines


Doktors der Gartenbauwissenschaften
− Dr. rer. hort. −

genehmigte
Dissertation

von

Dipl.-Ing. agr. Esther Mitterbauer
geboren am 10. Mai 1977 in Hannover, Deutschland

2008


























Referentin: PD Dr. Elisabeth Esch
Korreferent: Prof. Dr. Thomas Debener
Tag der Prüfung: 19. September 2008
Summary
Identification of factors limiting fruit set in tomato (Solanum lycopersicum L.) with
the aim of genetic improvement of heat tolerance
The aim of this work was the evaluation of different heat tolerant tomato genotypes
regarding their response to heat stress under both, controlled greenhouse conditions and
greenhouses typically used in Thailand.
After four weeks of exposure to day/ night temperatures of 34/ 30 °C under controlled
conditions plants stopped generative and vegetative growth entirely regardless their
level of tolerance to heat stress.
In subsequent experiments with temperatures reduced to 32/ 28 °C eleven tomato
genotypes, including three wild species, showed genotypic variation in their fruit
numbers, their percentage of fertilized fruits and fruits with colloidal tissue, and their
pollen release though only the differences regarding their colloidal tissues and pollen
amounts were statistically significant.
At temperatures of 32/ 28 °C (day/ night) the wild species did not flourish at all. The
highest pollen release was observed in CLN1621L while CL5915 had the highest
percentage of fruits containing colloidal tissue. Both are heat tolerant lines provided by
the AVRDC. The duration of heat exposure exerted a significant negative influence on
the pollen release. The pollen amount did not correlate with the fruit numbers or the
percentage of fertilized fruits.
Under semi humid tropic climate conditions of Central Thailand the flower and fruit
numbers, the number of flowers and fruits per inflorescence, the percentages of set
fruits and parthenocarpic fruits, the percentage of viable pollen, and the pollen amount
varied considerably between 16 different genotypes. The pollen viability was highest in
CLN1621L and the pollen amount in CL5915. The highest fruit set was found in
Pannovy accompanied by the highest percentage of parthenocarpic fruits. The pollen
viability was not correlated with the numbers and percentages of parthenocarpic fruits
but a decreased pollen amount correlated with increased parthenocarpy.
With regard to enhance the growth conditions for tomato different greenhouse set-ups
with intend of passive cooling of inside temperatures were evaluated. The mulch color
could be proved to enhance the pollen viability, plant height, flourishing and reduction
of parthenocarpy. Almost no influence of the NIR-shading paint or reduced mesh sizes
of the GH sidewalls on these traits was observed. Solely the percentage of cracked fruits
was increased in GHs coated with the NIR-shading paint compared to GHs with NIR-
transmissive roof cover.
The response of a subset of Solanum pennellii introgression lines to heat stress was
investigated. The number of flowers and fruits per inflorescence, the percentages of
parthenocarpic fruits, and the fruit set differed significantly between the genotypes
evaluated. The highest number of flowers per inflorescence was observed in the lines 2-
2 and 3-4 indicating genes involved in the flower development on chromosomes two
and three. The highest number of fruits per inflorescence was observed in lines 1-3,
3-1 and 12-3 and the highest fruit set was achieved by line 1-3 accompanied by 100 %
parthenocarpic fruits pointing at genes involved in fruit development on chromosomes
one, three, and twelve. The lowest percentage of parthenocarpic fruits was found in ILs
2-4 and 5-4 which were both characterized by an average fruit set around the mean
value for this parameter. Genes influencing fertilization advantageous might be assumed
on chromosomes two and five.
A segregating F population from a heat sensitive and heat tolerant parent was produced 2
and phenotypically evaluated under heat stress for the numbers of inflorescences,
flowers, fruits, the percentages of fruit set and fertilized fruits, the pollen amount, and
pollen viability. These traits revealed to be highly variable and to segregate
transgressive.
First amplified fragment length polymorphism (AFLP) analyses of the F have been 2
conducted and the population is now ready for marker analyses aiming at the
identification of quantitative trait loci (QTLs) for heat tolerance. Nevertheless, the best
performing genotypes of the segregating F -population can already be used for further 2
breeding programs to improve heat tolerance in tomato.







Keywords: tomato, heat stress, pollen
Kurzfassung
Identifikation von Ursachen für den verringerten Fruchtansatz bei Tomate
(Solanum lycopersicum L.) unter Hitzestress mit dem Ziel einer Verbesserung der
Hitzetoleranz
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Reaktion verschiedener
hitzetoleranter Genotypen im Hinblick auf Hitzestress. Die Versuche wurden sowohl
unter kontrollierten Bedingungen in Klimakammern und Glasgewächshäusern in
Hannover als auch in Gewächshäusern in Thailand, die eine für diese Gegend typische
Folienkonstruktion aufwiesen, durchgeführt.
Im Rahmen der Untersuchungen in Hannover konnte gezeigt werden, dass
Temperaturen von 34/ 30 °C in den Klimakammern nach vier Wochen so starke Effekte
auf vegetatives und generatives Wachstum hatten, dass die Pflanzen unabhängig von
ihrem Hitzetoleranzlevel das Wachstum vollständig einstellten.
Nach Absenken der Temperaturen auf 32/ 28 °C in weiteren Versuchen wiesen elf
verschiedene Genotypen, darunter drei Wildarten, starke genotypische Variation
hinsichtlich der untersuchten Merkmale Fruchtanzahl, Anteil befruchteter Früchte und
Früchte, deren Plazentagewebe degradiert wurde, sowie der entlassenen Pollenmenge
auf. Dabei waren nur die Anzahl Früchte, die degradiertes Plazentagewebe enthielten,
und die Pollenmenge statistisch signifikant unterschiedlich.
Die Wildarten konnten unter den gegebenen Bedingungen nicht zum Blühen gebracht
werden. Die höchsten Pollenmengen wurden von CLN1621L ausgeschüttet und die
größte Anzahl Früchte mit degradiertem Plazentagewebe bildete CL5915. Beide Linien
stammem vom AVRDC. Die Dauer des Hitzeeinflusses zeigte einen signifikanten
Einfluss auf die Pollenschüttung und diese nahm mit der Versuchsdauer ab, um im
weiteren Versuchsverlauf wieder anzusteigen. Die Pollenmenge korrelierte nicht mit der
Anzahl und dem prozentualen Anteil fertiler Früchte.
In einem Gewächshausexperiment in Thailand wurden 16 Genotypen angebaut, die
anhand ihrer Beschreibungen als hitzetolerant einzustufen waren. In Untersuchungen
der Blüten- und Fruchtanzahl, der Blüten und Früchte pro Infloreszens, der Anteile
angesetzter Früchte und parthenokarper Früchte sowie vitaler Pollen und der
Pollenmenge wurde große genotypische Variation zwischen den Genotypen festgestellt.
Die höchste Anzahl vitaler Pollen bildete CLN1621L und die größte Pollenmenge
wurde von CL5915 ausgeschüttet. Den höchsten Fruchtansatz zeigte Pannovy,
einhergehend mit 100 %iger Parthenokarpie. Im Gegensatz zu der Pollenvitalität, die
weder mit der Anzahl noch dem Anteil parthenokarper Früchte korrelierte, war die
Pollenmenge mit der Anzahl und dem prozentualen Anteil parthenokarper Früchte
negativ korreliert.
Mit dem Ziel die Wachstumsbedingungen für Tomate in den Gewächshäusern durch
passive Kühlung zu verbessern, wurden die Einflüsse unterschiedlicher
Gewächshauskonstruktionen auf verschiedene Wachstumsparameter untersucht.
Lediglich die Farbe des Bodenbelages beeinflusste die Pollenvitalität, das
Pflanzenwachstum, den Blütezeitpunkt und die Parthenokarpie. Die Reduktion von
naher Infrarotstrahlung (NIR) und Maschenweite der Gewächshauswände beeinflussten
die untersuchten Parameter kaum. Lediglich der Anteil geplatzter Früchte war in
Gewächshäusern mit NIR-reflektierenden Dächern erhöht im Vergleich zu it NIR-durchlässiger Bedachungsfolie.
Ein weiterer Ansatz war die Untersuchung von Solanum pennellii Introgressionslinien
unter Hitzestressbedingungen. Die größte Anzahl Blüten pro Infloreszens bildeten die
Linien 2-2 und 3-4, was auf Gene auf den Chromosomen zwei und drei hindeutet, die
unter Hitzestress die Blütenbildung positiv beeinflussen. Die größte Anzahl Früchte pro
Infloreszens wurden von den Linien 1-3, 3-1 und 12-3 geb