TY  - THES
A1  - Pan, Yufeng
T1  - Genetic and molecular analysis of heat stress induced transcriptional memory
T1  - Genetische und molekulare Analyse des durch Hitzestress ausgelösten transkriptionellen Gedächtnisses
N2  - Heat stress (HS) is one of the most common abiotic stresses, frequently affecting plant growth and crop production. With its fluctuating nature, HS episodes are frequently interspersed by stress-free intervals. Plants can be primed by HS, allowing them to survive better a recurrent stress episode. A memory of this priming can be maintained during stress-free intervals and this memory is closely correlated with transcriptional memory at several HS-inducible loci. This transcriptional memory is evident from hyper-induction of a locus upon a recurrent HS. ASCORBATE PEROXIDASE 2 (APX2) shows such hyper-induction upon recurring HS, however, the molecular basis of this transcriptional memory is not understood. Previous research showed that the HSinduced transcriptional memory at APX2 can last for up to seven days, and that it is controlled by cis-regulatory elements within the APX2 promoter.
To identify regulators involved in HS transcriptional memory, an unbiased forward genetic screening using EMS mutated seeds of pAPX2::LUC was performed from this screen. Two EMS mutants with affected transcriptional memory of LUC were identified. I confirmed that both two EMS mutants resulted from the gene mutations of HISTONE ACETYLTRANSFERASE 1 (HAC1). Besides pAPX2::LUC, the HS-induced transcription of other HS memory genes were also affected in hac1 mutants. Moreover, HAC1 may promote HS transcriptional memory by acetylating promoters of HS memory genes.
On the other hand, to identify cis-regulatory elements that are required for transcriptional memory of APX2, I performed promoter analysis of the four conserved HSEs identified within a functional APX2 promoter. I found out that one of the HSEs (HSE1) is necessary for both HS-induced APX2 transcription and transcriptional memory, while another one of HSEs (HSE2) is important for HS-induced APX2 transcriptional memory. I also found out that the HSE1 itself (with 10 bp of flanking sequence) is sufficient to confer HS-induced APX2 transcriptional memory, and HSE1 is also necessary for HSFA2 to bind on APX2 promoter and activate APX2 transcription. The findings will provide important clues for the molecular mechanism of transcriptional memory and will enable engineering of enhanced stress tolerance in crops.
N2  - Hitzestress (HS) ist einer der häufigsten abiotischen Stressfaktoren, der das Pflanzenwachstum und die Pflanzenproduktion häufig beeinträchtigt. Aufgrund seiner fluktuierenden Natur werden HS-Episoden häufig von stressfreien Intervallen unterbrochen. Pflanzen können durch HS vorbereitet werden, so dass sie eine wiederkehrende Stresssituation besser überstehen. Die Erinnerung an dieses Priming kann während stressfreier Intervalle aufrechterhalten werden, und diese Erinnerung ist eng mit der transkriptionellen Erinnerung an mehreren HS-induzierbaren Loci verbunden. Dieses transkriptionelle Gedächtnis zeigt sich in der Hyperinduktion eines Locus nach einem wiederholten HS. ASCORBATE PEROXIDASE 2 (APX2) zeigt eine solche Hyperinduktion bei wiederkehrendem HS, die molekulare Grundlage dieses Transkriptionsgedächtnisses ist jedoch nicht bekannt. Frühere Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass das HS-induzierte Transkriptionsgedächtnis bei APX2 bis zu sieben Tage andauern kann und dass es durch cis-regulatorische Elemente innerhalb des APX2-Promotors gesteuert wird.
Zur Identifizierung von Regulatoren, die am HS-Transkriptionsgedächtnis beteiligt sind, wurde ein unvoreingenommenes genetisches Vorwärtsscreening unter Verwendung von EMS-mutiertem Saatgut von pAPX2::LUC aus diesem Screening durchgeführt. Es wurden zwei EMS-Mutanten mit beeinträchtigtem Transkriptionsgedächtnis von LUC identifiziert. Ich bestätigte, dass beide EMS-Mutanten aus Genmutationen der HISTONE ACETYLTRANSFERASE 1 (HAC1) resultierten. Neben pAPX2::LUC war in den HAC1-Mutanten auch die HS-induzierte Transkription anderer HS-Gedächtnisgene beeinträchtigt. Darüber hinaus könnte HAC1 das HS-Transkriptionsgedächtnis durch Acetylierung der Promotoren von HS-Gedächtnisgenen fördern.
Um andererseits cis-regulatorische Elemente zu identifizieren, die für das transkriptionelle Gedächtnis von APX2 erforderlich sind, habe ich eine Promotoranalyse der vier konservierten HSEs durchgeführt, die innerhalb eines funktionellen APX2-Promotors identifiziert wurden. Ich fand heraus, dass eine der HSEs (HSE1) sowohl für die HS-induzierte APX2-Transkription als auch für das Transkriptionsgedächtnis erforderlich ist, während eine andere HSE (HSE2) für das
HS-induzierte APX2-Transkriptionsgedächtnis wichtig ist. Ich habe auch herausgefunden, dass das HSE1 selbst (mit 10 bp flankierender Sequenz) ausreicht, um HS-induziertes APX2-Transkriptionsgedächtnis zu verleihen, und dass HSE1 auch notwendig ist, damit HSFA2 an den APX2-Promotor binden und die APX2-Transkription aktivieren kann.
Die Ergebnisse werden wichtige Hinweise auf den molekularen Mechanismus des Transkriptionsgedächtnisses liefern und die Entwicklung einer verbesserten Stresstoleranz bei Nutzpflanzen ermöglichen.
KW  - HS transcriptional memory
KW  - APX2
KW  - HSFA2
KW  - HAC1
KW  - H3K9ac
KW  - HSE
KW  - HS-Transkriptionsgedächtnis
KW  - APX2
KW  - HSFA2
KW  - HAC1
KW  - H3K9ac
KW  - HSE
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560119
ER  -