TY - GEN A1 - Breuer, David A1 - Nowak, Jacqueline A1 - Ivakov, Alexander A1 - Somssich, Marc A1 - Persson, Staffan A1 - Nikoloski, Zoran T1 - System-wide organization of actin cytoskeleton determines organelle transport in hypocotyl plant cells T2 - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.1712371114 SN - 0027-8424 VL - 114 SP - E6732 EP - E6732 PB - National Acad. of Sciences CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Breuer, David A1 - Nowak, Jacqueline A1 - Ivakov, Alexander A1 - Somssich, Marc A1 - Persson, Staffan A1 - Nikoloski, Zoran T1 - System-wide organization of actin cytoskeleton determines organelle transport in hypocotyl plant cells JF - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America N2 - The actin cytoskeleton is an essential intracellular filamentous structure that underpins cellular transport and cytoplasmic streaming in plant cells. However, the system-level properties of actin-based cellular trafficking remain tenuous, largely due to the inability to quantify key features of the actin cytoskeleton. Here, we developed an automated image-based, network-driven framework to accurately segment and quantify actin cytoskeletal structures and Golgi transport. We show that the actin cytoskeleton in both growing and elongated hypocotyl cells has structural properties facilitating efficient transport. Our findings suggest that the erratic movement of Golgi is a stable cellular phenomenon that might optimize distribution efficiency of cell material. Moreover, we demonstrate that Golgi transport in hypocotyl cells can be accurately predicted from the actin network topology alone. Thus, our framework provides quantitative evidence for system-wide coordination of cellular transport in plant cells and can be readily applied to investigate cytoskeletal organization and transport in other organisms. KW - actin KW - cytoskeleton KW - Golgi KW - image processing KW - networks Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.1706711114 SN - 0027-8424 VL - 114 SP - E5741 EP - E5749 PB - National Acad. of Sciences CY - Washington ER - TY - THES A1 - Breuer, David T1 - The plant cytoskeleton as a transportation network T1 - Modellierung des pflanzliche Zytoskeletts als Transportnetzwerk N2 - The cytoskeleton is an essential component of living cells. It is composed of different types of protein filaments that form complex, dynamically rearranging, and interconnected networks. The cytoskeleton serves a multitude of cellular functions which further depend on the cell context. In animal cells, the cytoskeleton prominently shapes the cell's mechanical properties and movement. In plant cells, in contrast, the presence of a rigid cell wall as well as their larger sizes highlight the role of the cytoskeleton in long-distance intracellular transport. As it provides the basis for cell growth and biomass production, cytoskeletal transport in plant cells is of direct environmental and economical relevance. However, while knowledge about the molecular details of the cytoskeletal transport is growing rapidly, the organizational principles that shape these processes on a whole-cell level remain elusive. This thesis is devoted to the following question: How does the complex architecture of the plant cytoskeleton relate to its transport functionality? The answer requires a systems level perspective of plant cytoskeletal structure and transport. To this end, I combined state-of-the-art confocal microscopy, quantitative digital image analysis, and mathematically powerful, intuitively accessible graph-theoretical approaches. This thesis summarizes five of my publications that shed light on the plant cytoskeleton as a transportation network: (1) I developed network-based frameworks for accurate, automated quantification of cytoskeletal structures, applicable in, e.g., genetic or chemical screens; (2) I showed that the actin cytoskeleton displays properties of efficient transport networks, hinting at its biological design principles; (3) Using multi-objective optimization, I demonstrated that different plant cell types sustain cytoskeletal networks with cell-type specific and near-optimal organization; (4) By investigating actual transport of organelles through the cell, I showed that properties of the actin cytoskeleton are predictive of organelle flow and provided quantitative evidence for a coordination of transport at a cellular level; (5) I devised a robust, optimization-based method to identify individual cytoskeletal filaments from a given network representation, allowing the investigation of single filament properties in the network context. The developed methods were made publicly available as open-source software tools. Altogether, my findings and proposed frameworks provide quantitative, system-level insights into intracellular transport in living cells. Despite my focus on the plant cytoskeleton, the established combination of experimental and theoretical approaches is readily applicable to different organisms. Despite the necessity of detailed molecular studies, only a complementary, systemic perspective, as presented here, enables both understanding of cytoskeletal function in its evolutionary context as well as its future technological control and utilization. N2 - Das Zytoskelett ist ein notwendiger Bestandteil lebender Zellen. Es besteht aus verschiedenen Arten von Proteinfilamenten, die ihrerseits komplexe, sich dynamisch reorganisierende und miteinander verknüpfte Netzwerke bilden. Das Zytoskelett erfüllt eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle. In Tierzellen bestimmt das Aktin-Zytoskelett maßgeblich die mechanischen Zelleigenschaften und die Zellbewegung. In Pflanzenzellen hingegen kommt dem Aktin-Zytoskelett eine besondere Bedeutung in intrazellulären Transportprozessen zu, bedingt insbesondere durch die starre pflanzliche Zellwand sowie die Zellgröße. Als wesentlicher Faktor für Zellwachstum und somit auch die Produktion von Biomasse, ist Zytoskelett-basierter Transport daher von unmittelbarer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Während das Wissen über die molekularen Grundlagen Zytoskelett-basierter Transportprozesse beständig wächst, sind die zugrunde liegenden Prinzipien zellweiter Organisation bisher weitgehend unbekannt. Diese Dissertation widmet sich daher folgender Frage: Wie hängt die komplexe Architektur des pflanzlichen Zytoskeletts mit seiner intrazellulären Transportfunktion zusammen? Eine Antwort auf diese Frage erfordert eine systemische Perspektive auf Zytoskelettstruktur und -transport. Zu diesem Zweck habe ich Mikroskopiedaten mit hoher raumzeitlicher Auflösung sowie Computer-gestützte Bildanalysen und mathematische Ansätzen der Graphen- und Netzwerktheorie kombiniert. Die vorliegende Dissertation umfasst fünf meiner Publikationen, die sich einem systemischen Verständnis des pflanzlichen Zytoskeletts als Transportnetzwerk widmen: (1) Dafür habe ich Bilddaten-basierte Netzwerkmodelle entwickelt, die eine exakte und automatisierte Quantifizierung der Architektur des Zytoskeletts ermöglichen. Diese Quantifizierung kann beispielsweise in genetischen oder chemischen Versuchen genutzt werden und für eine weitere Erforschung der genetischen Grundlagen und möglicher molekularer Interaktionspartner des Zytoskeletts hilfreich sein; (2) Ich habe nachgewiesen, dass das pflanzliche Aktin-Zytoskelett Eigenschaften effizienter Transportnetzwerk aufweist und Hinweise auf seine evolutionären Organisationsprinzipien liefert; (3) Durch die mathematische Optimierung von Transportnetzwerken konnte ich zeigen, dass unterschiedliche Pflanzenzelltypen spezifische und optimierte Organisationsstrukturen des Aktin-Zytoskeletts aufweisen; (4) Durch quantitative Analyse des Transports von Organellen in Pflanzenzellen habe ich nachgewiesen, dass sich Transportmuster ausgehend von der Struktur des Aktin-Zytoskeletts vorhersagen lassen. Dabei spielen sowohl die Organisation des Zytoskeletts auf Zellebene als auch seine Geometrie eine zentrale Rolle. (5) Schließlich habe ich eine robuste, optimierungs-basierte Methode entwickelt, die es erlaubt, individuelle Filamente eines Aktin-Netzwerks zu identifizieren. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften einzelner Zytoskelettfilamente im zellulären Kontext zu untersuchen. Die im Zuge dieser Dissertation entwickelten Methoden wurden frei und quelloffen als Werkzeuge zur Beantwortung verwandter Fragestellung zugänglich gemacht. Insgesamt liefern die hier präsentierten Ergebnisse und entwickelten Methoden quantitative, systemische Einsichten in die Transportfunktion des Zytoskeletts. Die hier etablierte Kombination von experimentellen und theoretischen Ansätzen kann, trotz des Fokusses auf das pflanzliche Zytoskelett, direkt auf andere Organismen angewendet werden. Als Ergänzung molekularer Studien bildet ein systemischer Blickwinkel, wie er hier entwickelt wurde, die Grundlage für ein Verständnis sowohl des evolutionären Kontextes als auch zukünftiger Kontroll- und Nutzungsmöglichkeiten des pflanzlichen Zytoskeletts. KW - systems biology KW - mathematical modeling KW - cytoskeleton KW - plant science KW - graph theory KW - image analysis KW - Systembiologie KW - mathematische Modellierung KW - Zytoskelett KW - Zellbiologie KW - Graphtheorie KW - Bildanalyse Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93583 ER - TY - JOUR A1 - Apelt, Federico A1 - Breuer, David A1 - Olas, Justyna Jadwiga A1 - Annunziata, Maria Grazia A1 - Flis, Anna A1 - Nikoloski, Zoran A1 - Kragler, Friedrich A1 - Stitt, Mark T1 - Circadian, Carbon, and Light Control of Expansion Growth and Leaf Movement JF - Plant physiology : an international journal devoted to physiology, biochemistry, cellular and molecular biology, biophysics and environmental biology of plants Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1104/pp.17.00503 SN - 0032-0889 SN - 1532-2548 VL - 174 SP - 1949 EP - 1968 PB - American Society of Plant Physiologists CY - Rockville ER - TY - JOUR A1 - Apelt, Federico A1 - Breuer, David A1 - Nikoloski, Zoran A1 - Stitt, Mark A1 - Kragler, Friedrich T1 - Phytotyping(4D): a light-field imaging system for non-invasive and accurate monitoring of spatio-temporal plant growth JF - The plant journal N2 - Integrative studies of plant growth require spatially and temporally resolved information from high-throughput imaging systems. However, analysis and interpretation of conventional two-dimensional images is complicated by the three-dimensional nature of shoot architecture and by changes in leaf position over time, termed hyponasty. To solve this problem, Phytotyping(4D) uses a light-field camera that simultaneously provides a focus image and a depth image, which contains distance information about the object surface. Our automated pipeline segments the focus images, integrates depth information to reconstruct the three-dimensional architecture, and analyses time series to provide information about the relative expansion rate, the timing of leaf appearance, hyponastic movement, and shape for individual leaves and the whole rosette. Phytotyping(4D) was calibrated and validated using discs of known sizes, and plants tilted at various orientations. Information from this analysis was integrated into the pipeline to allow error assessment during routine operation. To illustrate the utility of Phytotyping(4D), we compare diurnal changes in Arabidopsis thaliana wild-type Col-0 and the starchless pgm mutant. Compared to Col-0, pgm showed very low relative expansion rate in the second half of the night, a transiently increased relative expansion rate at the onset of light period, and smaller hyponastic movement including delayed movement after dusk, both at the level of the rosette and individual leaves. Our study introduces light-field camera systems as a tool to accurately measure morphological and growth-related features in plants. Significance Statement Phytotyping(4D) is a non-invasive and accurate imaging system that combines a 3D light-field camera with an automated pipeline, which provides validated measurements of growth, movement, and other morphological features at the rosette and single-leaf level. In a case study in which we investigated the link between starch and growth, we demonstrated that Phytotyping(4D) is a key step towards bridging the gap between phenotypic observations and the rich genetic and metabolic knowledge. KW - plant growth KW - hyponasty KW - 3D imaging KW - light-field camera KW - Arabidopsis thaliana KW - pgm KW - technical advance Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.12833 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 82 IS - 4 SP - 693 EP - 706 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER -