Efficient cell reprogramming as a target for functional-marker strategies? Towards new perspectives in applied plant-nutrition research

TL;DR: Identification of target cells, which are important for agronomic traits, is stressed as a key for future modeling and virtual experimentation and the nature of molecular factors, which may serve as functional markers in breeding, is discussed in view of future marker developments.

Abstract: The review aims at visualizing and strengthening approximation of current strategies in plant breeding, plant nutrition, and molecular biology. Innovations in new breeding strategies on quantitative traits are based on the development of functional DNA markers. This requires knowledge on robust physiological key reactions or parameters in view of the desired agronomic trait. To understand the significance of adaptive molecular-physiological factors for the expression of agronomic traits in quantitative terms, systems analyses have to demonstrate the phenotypic effect of differential gene activities. The logistic to advance in applied systems biology is currently being strongly discussed. In the present contribution, identification of target cells, which are important for agronomic traits, is stressed as a key for future modeling and virtual experimentation. Integration of target cells in systems analysis should allow to link top-down approaches, that start at the whole-plant level, with bottom-up approaches, that come from the molecular level. To illustrate the importance of adaptive cell reprogramming for agronomic traits, reprogramming of rhizodermic cells to trichoblasts is pointed out in its role for nutrient efficiency (NE). The nature of molecular factors, which may serve as functional markers in breeding, is discussed in view of future marker developments. Effiziente Umprogrammierung von Zellen als Ziel funktionaler Markerstrategien? Dieser Ubersichtsartikel zielt darauf ab, die Annaherung zwischen Strategien in Pflanzenzuchtung, Pflanzenernahrung und Molekularbiologie sichtbar zu machen und zu verstarken. Innovative Zuchtungsstrategien fur quantitative Merkmale basieren auf der effizienten Entwicklung funktionaler DNA-Marker. Dies erfordert die Kenntnis robuster physiologischer Schlusselreaktionen oder Parameter im Hinblick auf das erwunschte agronomische Merkmal. Um die Bedeutung adaptiver molekular-physiologischer Faktoren fur die Auspragung agronomischer Merkmale quantifizieren zu konnen, mussen Systemanalysen durchgefuhrt werden, die den Effekt von differenziellen Genaktivitaten auf den Phanotyp ermitteln konnen. Die logistische Vorgehensweise hierfur wird zur Zeit heftig diskutiert. In dem vorliegenden Beitrag wird der Identifizierung von Zellen, die agronomisch wichtige Merkmale masgeblich beeinflussen, eine Schlusselrolle fur zukunftiges Modellieren und virtuelles Experimentieren beigemessen. Die Einbeziehung solcher Zielzellen in die Systemanalyse sollte die Verknupfung von “top-down“-Ansatzen, die von der Gesamtpflanze ausgehen, mit “bottom-up“-Untersuchungen, die von der molekularen Ebene herkommen, ermoglichen. Um die Wichtigkeit adaptiver Zellprogrammierung fur agronomische Merkmale zu illustrieren, wird die Umprogrammierung von Rhizodermiszellen zu Trichoblasten in ihrer Bedeutung fur die Nahrstoffeffizienz (NE) herausgestellt. Die Natur molekularer Faktoren, die als funktionale Marker fur die Zuchtungsarbeit in Frage kamen, wird im Hinblick auf zukunftige Markerentwicklungen diskutiert.