Regulation of flowering and canopy structure in timothy (Phleum pratense L.)

Timothy (Phleum pratense L.) is one of the most important forage grass species grown at high latitudes. Its sward canopy structure determines the quantity and quality of the silage yield. Nonetheless, processes behind the transition to flowering, as well as the formation of stems and the connection with forage quality have not been studied in detail for timothy. Seven experiments were conducted to explore the effect of vernalization, photoperiod and gibberellin treatments on flowering and canopy structure in different cultivars or accessions. In addition, the expression of key regulator genes, VRN1 and VRN3, as well as the flowering repressors VRN2 and MADS10 were studied, and the connection between these and flowering induction and stem formation was revealed. Results showed that photoperiod is the most important regulator of flowering in timothy. In addition, vernalization response was reported in most of the tested accessions, which was seen as faster flowering. It was found that the application of GA3 could not replace the LD requirement for flowering. Moreover, results showed that the requirement for flowering and stem elongation vary. Flowering is also associated with decreased digestibility of grass stems. Our results showed, however, that flowering induction was not required for the development of the lignified sclerenchyma ring in developing stems, but rather lignin accumulation was as a result of stem elongation and requirements for mechanical support. At molecular level, novel vernalization-related partial cDNAs were identified through sequencing. Both PpVRN1 and PpVRN3 homologs induced the transition to reproductive development, but PpVRN3 was required for flowering. These results support the theory of universal flowering-promoting system between species. The expression of the putative repressor homolog, PpMADS10, was connected to the developmental stage of the apex. Results obtained in this thesis shed new light on the regulation of flowering and canopy structure in timothy. It is concluded that large variation exists among accessions in their responses to vernalization and photoperiod. This information can be utilized in breeding for high-yielding new cultivars for different growing conditions at high latitudes and for different harvesting strategies.Timotei (Phleum pratense L.) on yksi tärkeimmistä pohjoisilla alueilla viljellyistä nurmirehukasveista. Sen kasvuston rakenne määrittää säilörehusadon määrää ja laatua. Kuitenkaan kasvuston rakenteen muodostumista ja kukintaan virittymistä ei ole tutkittu yksityiskohtaisesti timoteilla aiemmin. Yhteensä seitsemän erillistä tutkimusta toteutettiin, joissa selvitettiin vernalisaation, päivän pituuden ja gibberellini- käsittelyjen vaikutusta kukkimiseen ja kasvustorakenteen muodostumiseen timoteilajikkeilla- tai jalostusaineistolla. Lisäksi tutkittiin tärkeiden kukkimista säätelevien geenien ilmenemistä, ja niiden yhteyttä kukkimiseen ja kasvustorakenteeseen. Tutkimuksessa havaittiin, että timotein kukintaa ja verson muodostumista säätelevät eri tekijät. Tulokset osoittivat, että riittävän pitkä päivä on tärkein kukintaa säätelevä tekijä timoteilla. Lisäksi suurimmalla osalla tutkituista lajikkeista havaittiin vernalisaatiovaste, eli kylmäkäsittely lyhensi kukinnan alkamisaikaa. Toisaalta huomattiin, että gibberelliinikäsittely ei poistanut pitkän päivän vaatimusta kukinnalle, joka on havaittu joillakin nurmilajeilla. Nurmiheinien versojen sulavuuden heikkenemisen on uskottu olevan yhteydessä kukintaan. Tämän tutkimuksen tulokset osoittivat kuitenkin, että kukintaa ei vaadittu lignifikoituneen sklerenkyymirenkaan muodostumiseen versoissa, vaan ligniinin kertyminen versoihin oli yhteydessä verson pituuskasvuun. Sekvensoimalla löydettiin uusia cDNA jaksoja, joita ei ole aiemmin tunnistettu timoteilla. Kukintaa edistävät geenit, PpVRN1 ja PpVRN3, ilmenivät kukintavaiheeseen siirtyvissä kasveissa, mutta PpVRN3 vaadittiin lopulliseen kukintaan. Nämä tulokset tukevat teoriaa yleisestä kukintaa säätelevästä systeemistä eri kasvilajien välillä, joka on tunnistettu mm. viljakasveilla. Tässä väitöstyössä saavutetut tulokset tuovat runsaasti lisätietoa tekijöistä, jotka säätelevät timotein kukintaa ja kasvustorakenteen muodostumista. Eri timoteilajikkeiden välillä havaittiin runsaasti vaihtelua päivän pituus- ja vernalisaatiovasteissa. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää jalostettaessa uusia runsassatoisia timoteilajikkeita erilaisiin kasvuolosuhteisiin sekä erilaisiin sadonkorjuustrategioihin