TY - THES A1 - Wang, Yang T1 - Role of the actin cytoskeleton in cellular morphogenesis at the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana N2 - The morphogenesis of sessile plants is mainly driven by directional cell growth and cell division. The organization of their cytoskeleton and the mechanical properties of the cell wall greatly influence morphogenetic events in plants. It is well known that cortical microtubules (CMTs) contribute to directional growth by regulating the deposition of the cellulose microfibrils, as major cell wall fortifying elements. More recent findings demonstrate that mechanical stresses existing in cells and tissues influence microtubule organization. Also, in dividing cells, mechanical stress directions contribute to the orientation of the new cell wall. In comparison to the microtubule cytoskeleton, the role of the actin cytoskeleton in regulating shoot meristem morphogenesis has not been extensively studied. This thesis focuses on the functional relevance of the actin cytoskeleton during cell and tissue scale morphogenesis in the shoot apical meristem (SAM) of Arabidopsis thaliana. Visualization of transcriptional reporters indicates that ACTIN2 and ACTIN7 are two highly expressed actin genes in the SAM. A link between the actin cytoskeleton and SAM development derives from the observation that the act2-1 act7-1 double mutant has abnormal cell shape and perturbed phyllotactic patterns. Live-cell imaging of the actin cytoskeleton further shows that its organization correlates with cell shape, which indicates a potential role of actin in influencing cellular morphogenesis. In this thesis, a detailed characterization of the act2-1 act7-1 mutant reveals that perturbation of actin leads to more rectangular cellular geometries with more 90° cell internal angles, and higher incidences of four-way junctions (four cell boundaries intersecting together). This observation deviates from the conventional tricellular junctions found in epidermal cells. Quantitative cellular-level growth data indicates that such differences in the act2-1 act7-1 mutant arise due to the reduced accuracy in the placement of the new cell wall, as well as its mechanical maturation. Changes in cellular morphology observed in the act2-1 act7-1 mutant result in cell packing defects that subsequently compromise the flow of information among cells in the SAM. N2 - Die Morphogenese sessiler Pflanzen wird hauptsächlich durch gerichtetes Zellwachstum und Zellteilung angetrieben. Die Organisation des Zytoskeletts und die mechanischen Eigenschaften der Zellwand haben großen Einfluss auf die morphogenetischen Vorgänge in Pflanzen. Es ist bekannt, dass kortikale Mikrotubuli (CMTs) zum gerichteten Wachstum beitragen, indem sie die Bildung von Zellulose-Mikrofibrillen als wichtige Elemente zur Stärkung der Zellwand regulieren. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass mechanische Spannungen in den Zellen und Geweben die Organisation der Mikrotubuli beeinflussen. Bei der Zellteilung tragen auch die mechanischen Belastungsrichtungen zur Ausrichtung der neuen Zellwand bei. Im Vergleich zum Zytoskelett der Mikrotubuli ist die Rolle des Aktinzytoskeletts bei der Regulierung der Morphogenese des Sprossmeristems noch nicht umfassend untersucht worden. Diese Arbeit befasst sich mit der funktionellen Bedeutung des Aktinzytoskeletts bei der Zell- und Gewebemorphogenese im Sprossapikalmeristem (SAM) von Arabidopsis thaliana. Die Visualisierung von Transkriptionsreportern zeigt, dass ACTIN2 und ACTIN7 zwei stark exprimierte Aktingene im SAM sind. Eine Verknüpfung zwischen dem Aktinzytoskelett und der Entwicklung des SAMs ergibt sich aus der Beobachtung, dass die act2-1 act7-1 Doppelmutante eine abnorme Zellform und ein gestörtes phyllotaktisches Muster aufweist. Die Lebend-Zell Aufnahmen des Aktinzytoskeletts zeigt außerdem, dass seine Organisation mit der Zellform korreliert, was auf eine mögliche Rolle des Aktins bei der Beeinflussung der zellulären Morphogenese hinweist. In dieser Arbeit wird anhand einer detaillierten Charakterisierung der act2-1 act7-1 Mutante gezeigt, dass eine Störung des Aktins zu rechteckigeren Zellgeometrien mit mehr 90°-Zellinnenwinkeln und einem höheren Vorkommen von Vierfach-Verbindungen (vier sich kreuzende Zellgrenzen) führt. Diese Beobachtung weicht von den konventionellen trizellulären Verbindungen der Epidermiszellen ab. Quantitative Wachstumsdaten auf zellulärer Ebene deuten darauf hin, dass diese Unterschiede in der act2-1 act7-1 Mutante auf die geringere Präzision bei der Platzierung der neuen Zellwand sowie auf ihre mechanische Reifung zurückzuführen sind. Die bei der act2-1 act7-1 Mutante beobachteten Veränderungen der Zellmorphologie führen zu Defekten in der Zellanordnung, die in der weiteren Folge den Informationsfluss zwischen den Zellen im SAM beeinträchtigen. KW - Arabidopsis KW - shoot apical meristem KW - actin KW - cell division KW - cell shape KW - morphogenesis Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.25932/publishup-55908 ER - TY - THES A1 - Nowak, Jacqueline T1 - Devising computational tools to quantify the actin cytoskeleton and pavement cell shape using network-based approaches N2 - Recent advances in microscopy have led to an improved visualization of different cell processes. Yet, this also leads to a higher demand of tools which can process images in an automated and quantitative fashion. Here, we present two applications that were developed to quantify different processes in eukaryotic cells which rely on the organization and dynamics of the cytoskeleton.. In plant cells, microtubules and actin filaments form the backbone of the cytoskeleton. These structures support cytoplasmic streaming, cell wall organization and tracking of cellular material to and from the plasma membrane. To better understand the underlying mechanisms of cytoskeletal organization, dynamics and coordination, frameworks for the quantification are needed. While this is fairly well established for the microtubules, the actin cytoskeleton has remained difficult to study due to its highly dynamic behaviour. One aim of this thesis was therefore to provide an automated framework to quantify and describe actin organization and dynamics. We used the framework to represent actin structures as networks and examined the transport efficiency in Arabidopsis thaliana hypocotyl cells. Furthermore, we applied the framework to determine the growth mode of cotton fibers and compared the actin organization in wild-type and mutant cells of rice. Finally, we developed a graphical user interface for easy usage. Microtubules and the actin cytoskeleton also play a major role in the morphogenesis of epidermal leaf pavement cells. These cells have highly complex and interdigitated shapes which are hard to describe in a quantitative way. While the relationship between microtubules, the actin cytoskeleton and shape formation is the object of many studies, it is still not clear how and if the cytoskeletal components predefine indentations and protrusions in pavement cell shapes. To understand the underlying cell processes which coordinate cell morphogenesis, a quantitative shape descriptor is needed. Therefore, the second aim of this thesis was the development of a network-based shape descriptor which captures global and local shape features, facilitates shape comparison and can be used to evaluate shape complexity. We demonstrated that our framework can be used to describe and compare shapes from various domains. In addition, we showed that the framework accurately detects local shape features of pavement cells and outperform contending approaches. In the third part of the thesis, we extended the shape description framework to describe pavement cell shape features on tissue-level by proposing different network representations of the underlying imaging data. N2 - Aktuelle Entwicklungen in der Mikroskopie haben zu einer verbesserten Visualisierung von verschiedenen Zellprozessen geführt. Dennoch führt das auch zu einem höheren Bedarf an Werkzeugen, die Bilder in einer automatisierten und quantitativen Weise bearbeiten und analysieren können. Hier präsentieren wir zwei Anwendungen, die entwickelt wurden, um verschiedene Prozesse in eukaryotischen Zellen zu quantifizieren, welche von der Organisation und Dynamik des Zytoskeletts abhängig sind. In Pflanzenzellen bilden Mircotubuli und Aktinfilamente das Rückgrat des Zytoskeletts. Diese Strukturen unterstützen die Zytoplasmaströmung, die Organisation der Zellwand und den Transport von zellulärem Material zu und von der Plasmamembran. Um die zugrundeliegenden Mechanismen der Organisation, Dynamik und Koordination des Zytoskeletts zu verstehen, sind Hilfsmittel zur Quantifizierung notwendig. Während das ziemlich ausführlich für Microtubuli getan wurde, bleibt das Aktin-Zytoskelett schwer zu studieren aufgrund seines hoch dynamischen Verhaltens. Das erste Ziel dieser Arbeit war es daher, einen automatisierten Framework zu entwickeln, der die Aktin-Organisation und Dynamik quantifiziert und beschreibt. Wir haben diesen Framework genutzt, um Aktin-Strukturen als Netzwerke zu repräsentieren und haben damit die Transporteffizienz in Arabidopsis thaliana Hypocotylzellen untersucht. Des Weiteren haben wir den Framework genutzt, um den Wachstumsmodus in Baumwollfasern zu bestimmen und um die Aktin-Organisation in Reis-Wildtyp und Mutanten zu vergleichen. Zuletzt haben wir eine grafische Benutzeroberfläche zur einfacheren Benutzung entwickelt. Microtubuli und das Aktin-Zytoskelett spielen auch eine große Rolle in der Morphogenese von epidermalen Blattzellen. Diese Zellen haben hochkomplexe und interdigitale Formen, welche sehr schwer in einer quantitativen Art zu beschreiben sind. Während die Beziehung zwischen Microtubuli, dem Aktin-Zytoskelett und Formgestaltung der Zellen in vielen Studien untersucht wurde, ist es immer noch nicht ganz klar wie und ob die Zytoskelettkomponenten die Ein- und Ausbuchtungen in Blattzellen vorherbestimmen. Um die zugrundeliegenden Zellprozesse zu verstehen, die die Zellmorphogenese koordinieren, sind quantitative Beschreiber von Formen notwendig. Daher war das zweite Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines netzwerkbasierten Gestaltbeschreibers, welcher globale und lokale Gestaltmerkmale erfasst, einen Gestaltvergleich ermöglich und die Komplexität von Formen evaluieren kann. Wir haben nachgewiesen, dass unser Framework benutzt werden kann, um Formen aus verschiedenen Bereichen zu beschreiben und zu vergleichen. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass der Framework lokale Gestaltmerkmale in Blattzellen akkurat ermittelt und andere konkurrierende Methoden hinter sich lässt. Im dritten Teil der Arbeit haben wir den Gestaltbeschreiber erweitert, um Gestaltmerkmale von Blattzellen, bezogen auf das ganze Zellgewebe, zu beschreiben, indem wir verschiedene Netzwerkrepräsentationen der zugrundeliegenden Bilddaten vorstellen. KW - Netzwerke KW - Bildanalyse KW - Pflanzenzellen KW - Aktinzytoskelett KW - Zellform KW - pavement cells image analysis KW - cell shape KW - cell morphogenesis KW - actin cytoskeleton machine KW - learning networks plant KW - cells epidermis Y1 - 2020 ER -