TY - THES A1 - Schaarschmidt, Stephanie T1 - Evaluation and application of omics approaches to characterize molecular responses to abiotic stresses in plants T1 - Evaluierung und Anwendung von Omics-Methoden zur Charakterisierung von abiotischem Stress in Pflanzen auf molekularer Ebene N2 - Aufgrund des globalen Klimawandels ist die Gewährleistung der Ernährungssicherheit für eine wachsende Weltbevölkerung eine große Herausforderung. Insbesondere abiotische Stressoren wirken sich negativ auf Ernteerträge aus. Um klimaangepasste Nutzpflanzen zu entwickeln, ist ein umfassendes Verständnis molekularer Veränderungen in der Reaktion auf unterschiedlich starke Umweltbelastungen erforderlich. Hochdurchsatz- oder "Omics"-Technologien können dazu beitragen, Schlüsselregulatoren und Wege abiotischer Stressreaktionen zu identifizieren. Zusätzlich zur Gewinnung von Omics-Daten müssen auch Programme und statistische Analysen entwickelt und evaluiert werden, um zuverlässige biologische Ergebnisse zu erhalten. Ich habe diese Problemstellung in drei verschiedenen Studien behandelt und dafür zwei Omics-Technologien benutzt. In der ersten Studie wurden Transkript-Daten von den beiden polymorphen Arabidopsis thaliana Akzessionen Col-0 und N14 verwendet, um sieben Programme hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Positionierung und Quantifizierung von Illumina RNA Sequenz-Fragmenten („Reads“) zu evaluieren. Zwischen 92% und 99% der Reads konnten an die Referenzsequenz positioniert werden und die ermittelten Verteilungen waren hoch korreliert für alle Programme. Bei der Durchführung einer differentiellen Genexpressionsanalyse zwischen Pflanzen, die bei 20 °C oder 4 °C (Kälteakklimatisierung) exponiert wurden, ergab sich eine große paarweise Überlappung zwischen den Programmen. In der zweiten Studie habe ich die Transkriptome von zehn verschiedenen Oryza sativa (Reis) Kultivaren sequenziert. Dafür wurde die PacBio Isoform Sequenzierungstechnologie benutzt. Die de novo Referenztranskriptome hatten zwischen 38.900 bis 54.500 hoch qualitative Isoformen pro Sorte. Die Isoformen wurden kollabiert, um die Sequenzredundanz zu verringern und danach evaluiert z.B. hinsichtlich des Vollständigkeitsgrades (BUSCO), der Transkriptlänge und der Anzahl einzigartiger Transkripte pro Genloci. Für die hitze- und trockenheitstolerante Sorte N22 wurden ca. 650 einzigartige und neue Transkripte identifiziert, von denen 56 signifikant unterschiedlich in sich entwickelnden Samen unter kombiniertem Trocken- und Hitzestress exprimiert wurden. In der letzten Studie habe ich die Veränderungen in Metabolitprofilen von acht Reissorten gemessen und analysiert, die dem Stress hoher Nachttemperaturen (HNT) ausgesetzt waren und während der Trocken- und Regenzeit im Feld auf den Philippinen angebaut wurden. Es wurden jahreszeitlich bedingte Veränderungen im Metabolitspiegel sowie für agronomische Parameter identifiziert und mögliche Stoffwechselwege, die einen Ertragsrückgang unter HNT-Bedingungen verursachen, vorgeschlagen. Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass der Vergleich der RNA-seq Programme den Pflanzenwissenschaftler*innen helfen kann, sich für das richtige Werkzeug für ihre Daten zu entscheiden. Die de novo Transkriptom-Rekonstruktion von Reissorten ohne Genomsequenz bietet einen gezielten, kosteneffizienten Ansatz zur Identifizierung neuer Gene, die durch verschiedene Stressbedingungen reguliert werden unabhängig vom Organismus. Mit dem Metabolomik-Ansatz für HNT-Stress in Reis habe ich stress- und jahreszeitenspezifische Metabolite identifiziert, die in Zukunft als molekulare Marker für die Verbesserung von Nutzpflanzen verwendet werden könnten. N2 - Due to global climate change providing food security for an increasing world population is a big challenge. Especially abiotic stressors have a strong negative effect on crop yield. To develop climate-adapted crops a comprehensive understanding of molecular alterations in the response of varying levels of environmental stresses is required. High throughput or ‘omics’ technologies can help to identify key-regulators and pathways of abiotic stress responses. In addition to obtain omics data also tools and statistical analyses need to be designed and evaluated to get reliable biological results. To address these issues, I have conducted three different studies covering two omics technologies. In the first study, I used transcriptomic data from the two polymorphic Arabidopsis thaliana accessions, namely Col-0 and N14, to evaluate seven computational tools for their ability to map and quantify Illumina single-end reads. Between 92% and 99% of the reads were mapped against the reference sequence. The raw count distributions obtained from the different tools were highly correlated. Performing a differential gene expression analysis between plants exposed to 20 °C or 4°C (cold acclimation), a large pairwise overlap between the mappers was obtained. In the second study, I obtained transcript data from ten different Oryza sativa (rice) cultivars by PacBio Isoform sequencing that can capture full-length transcripts. De novo reference transcriptomes were reconstructed resulting in 38,900 to 54,500 high-quality isoforms per cultivar. Isoforms were collapsed to reduce sequence redundancy and evaluated, e.g. for protein completeness level (BUSCO), transcript length, and number of unique transcripts per gene loci. For the heat and drought tolerant aus cultivar N22, I identified around 650 unique and novel transcripts of which 56 were significantly differentially expressed in developing seeds during combined drought and heat stress. In the last study, I measured and analyzed the changes in metabolite profiles of eight rice cultivars exposed to high night temperature (HNT) stress and grown during the dry and wet season on the field in the Philippines. Season-specific changes in metabolite levels, as well as for agronomic parameters, were identified and metabolic pathways causing a yield decline at HNT conditions suggested. In conclusion, the comparison of mapper performances can help plant scientists to decide on the right tool for their data. The de novo reconstruction of rice cultivars without a genome sequence provides a targeted, cost-efficient approach to identify novel genes responding to stress conditions for any organism. With the metabolomics approach for HNT stress in rice, I identified stress and season-specific metabolites which might be used as molecular markers for crop improvement in the future. KW - Arabidopsis thaliana KW - Oryza sativa KW - RNA-seq KW - PacBio IsoSeq KW - metabolomics KW - high night temperature KW - combined heat and drought stress KW - natural genetic variation KW - differential gene expression KW - Arabidopsis thaliana KW - Oryza sativa KW - PacBio IsoSeq KW - RNA-seq KW - kombinierter Hitze- und Trockenstress KW - erhöhte Nachttemperaturen KW - Differenzielle Genexpression KW - Metabolomik KW - natürliche genetische Variation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509630 ER - TY - THES A1 - Vyse, Kora T1 - Elucidating molecular determinants of the loss of freezing tolerance during deacclimation after cold priming and low temperature memory after triggering N2 - Während ihrer Entwicklung müssen sich Pflanzen an Temperaturschwankungen anpassen. Niedrige Temperaturen über dem Gefrierpunkt induzieren in Pflanzen eine Kälteakklimatisierung und höhere Frosttoleranz, die sich bei wärmeren Temperaturen durch Deakklimatisierung wieder zurückbildet. Der Wechsel zwischen diesen beiden Prozessen ist für Pflanzen unerlässlich, um als Reaktion auf unterschiedliche Temperaturbedingungen eine optimale Fitness zu erreichen. Die Kälteakklimatisierung ist umfassend untersucht worden,über die Regulierung der Deakklimatisierung ist jedoch wenig bekannt. In dieser Arbeit wird der Prozess der Deakklimatisierung auf physiologischer und molekularer Ebene in Arabidopsis thaliana untersucht. Messungen des Elektrolytverlustes während der Kälteakklimatisierung und bis zu vier Tagen nach Deakklimatisierung ermöglichten die Identifizierung von vier Knockout-Mutanten (hra1, lbd41, mbf1c und jub1), die im Vergleich zum Wildtyp eine langsamere Deakklimatisierungsrate aufwiesen. Eine transkriptomische Studie mit Hilfe von RNA-Sequenzierung von A. thaliana Col-0, jub1 und mbf1c zeigte die Bedeutung der Hemmung von stressreaktiven und Jasmonat-ZIM-Domänen-Genen sowie die Regulierung von Zellwandmodifikationen während der Deakklimatisierung. Darüber hinaus zeigten Messungen der Alkoholdehydrogenase Aktivität und der Genexpressionsänderungen von Hypoxiemarkern während der ersten vier Tagen der Deakklimatisierung, dass eine Hypoxie-Reaktion während der Deakklimatisierung aktiviert wird. Es wurde gezeigt, dass die epigenetische Regulierung während der Kälteakklimatisierung und der 24-stündigen Deakklimatisierung in A. thaliana eine große Rolle spielt. Darüber hinaus zeigten beide Deakklimatisierungsstudien, dass die frühere Hypothese, dass Hitzestress eine Rolle bei der frühen Deakklimatisierung spielen könnte, unwahrscheinlich ist. Eine Reihe von DNA- und Histondemethylasen sowie Histonvarianten wurden während der Deakklimatisierung hochreguliert, was auf eine Rolle im pflanzlichen Gedächtnis schließen lässt. In jüngster Zeit haben mehrere Studien gezeigt, dass Pflanzen in der Lage sind, die Erinnerung an einen vorangegangenen Kältestress auch nach einer Woche Deakklimatisierung zu bewahren. In dieser Arbeit ergaben Transkriptom- und Metabolomanalysen von Arabidopsis während 24 Stunden Priming (Kälteakklimatisierung) und Triggering (wiederkehrender Kältestress nach Deakklimatisierung) eine unikale signifikante und vorübergehende Induktion der Transkriptionsfaktoren DREB1D, DREB1E und DREB1F während des Triggerings, die zur Feinabstimmung der zweiten Kältestressreaktion beiträgt. Darüber hinaus wurden Gene, die für Late Embryogenesis Abundant (LEA) und Frostschutzproteine kodieren, sowie Proteine, die reaktive Sauerstoffspezies entgiften, während des späten Triggerings (24 Stunden) stärker induziert als nach dem ersten Kälteimpuls, während Xyloglucan- Endotransglucosylase/Hydrolase Gene, deren Produkte für eine Restrukturierung der Zellwand verantwortlich sind, früh auf das Triggering reagierten. Die starke Induktion dieser Gene, sowohl bei der Deakklimatisierung als auch beim Triggering, lässt vermuten, dass sie eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung der Zellen während des Wachstums und bei der Reaktion auf wiederkehrende Stressbedingungen spielen. Zusammenfassend gibt diese Arbeit neue Einblicke in die Regulierung der Deakklimatisierung und des Kältestress-Gedächtnisses in A. thaliana und eröffnet neue Möglichkeiten für künftige, gezielte Studien von essentiellen Genen in diesem Prozess. N2 - Throughout their lifetime plants need to adapt to temperature changes. Plants adapt to nonfreezing cold temperatures in a process called cold priming (cold acclimation) and lose the acquired freezing tolerance during warmer temperatures through deacclimation. The alternation of both processes is essential for plants to achieve optimal fitness in response to different temperature conditions. Cold acclimation has been extensively studied, however, little is known about the regulation of deacclimation. This thesis elucidates the process of deacclimation on a physiological and molecular level in Arabidopsis thaliana. Electrolyte leakage measurements during cold acclimation and up to four days of deacclimation enabled the identification of four knockout mutants (hra1, lbd41, mbf1c and jub1) with a slower rate of deacclimation compared to the wild type. A transcriptomic study using RNA-Sequencing in A. thaliana Col-0, jub1 and mbf1c identified the importance of the inhibition of stress responsive and Jasmonate-ZIM-domain genes as well as the regulation of cell wall modifications during deacclimation. Moreover, measurements of alcohol dehydrogenase activity and gene expression changes of hypoxia markers during the first four days of deacclimation evidently showed that a hypoxia response is activated during deacclimation. Epigenetic regulation was observed to be extensively involved during cold acclimation and 24 h of deacclimation in A. thaliana. Further, both deacclimation studies showed that the previous hypothesis that heat stress might play a role in early deacclimation, is not likely. A number of DNA- and histone demethylases as well as histone variants were upregulated during deacclimation suggesting a role in plant memory. Recently, multiple studies have shown that plants are able to retain memory of a previous cold stress even after a week of deacclimation. In this work, transcriptomic and metabolomic analyses of Arabidopsis during 24 h of priming (cold acclimation) and triggering (recurring cold stress after deacclimation) revealed a uniquely significant and transient induction of DREB1D, DREB1E and DREB1F transcription factors during triggering contributing to fine-tuning of the second cold stress response. Furthermore, genes encoding Late Embryogenesis Abundant (LEA) and antifreeze proteins and proteins detoxifying reactive oxygen species were higher induced during late triggering (24 h) compared to primed samples, while cell wall remodelers of the class xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase were early responders of triggering. The high induction of cell wall remodelers during deacclimation as well as triggering proposes that these proteins play an essential role in the stabilization of the cells during growth as well as the response to recurring stresses. Collectively this work gives new insights on the regulation of deacclimation and cold stress memory in A. thaliana and opens the door to future targeted studies of essential genes in this process. KW - cold stress KW - deacclimation KW - Arabidopsis thaliana KW - epigenetics KW - co-expression network analysis KW - WGCNA KW - RNA-sequencing KW - differential gene expression KW - hypoxia KW - transcription factors KW - Kältestress KW - Deakklimatisierung KW - Epigenetik KW - Koexpression Netzwerk Analysen KW - RNA-Sequenzierung KW - Differenzielle Genexpression KW - Hypoxie KW - Transkriptionsfaktoren Y1 - 2022 ER -