TY - GEN A1 - Omidbakhshfard, Mohammad Amin A1 - Neerakkal, Sujeeth A1 - Gupta, Saurabh A1 - Omranian, Nooshin A1 - Guinan, Kieran J. A1 - Brotman, Yariv A1 - Nikoloski, Zoran A1 - Fernie, Alisdair R. A1 - Mueller-Roeber, Bernd A1 - Gechev, Tsanko S. T1 - A Biostimulant Obtained from the Seaweed Ascophyllum nodosum Protects Arabidopsis thaliana from Severe Oxidative Stress T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Abiotic stresses cause oxidative damage in plants. Here, we demonstrate that foliar application of an extract from the seaweed Ascophyllum nodosum, SuperFifty (SF), largely prevents paraquat (PQ)-induced oxidative stress in Arabidopsis thaliana. While PQ-stressed plants develop necrotic lesions, plants pre-treated with SF (i.e., primed plants) were unaffected by PQ. Transcriptome analysis revealed induction of reactive oxygen species (ROS) marker genes, genes involved in ROS-induced programmed cell death, and autophagy-related genes after PQ treatment. These changes did not occur in PQ-stressed plants primed with SF. In contrast, upregulation of several carbohydrate metabolism genes, growth, and hormone signaling as well as antioxidant-related genes were specific to SF-primed plants. Metabolomic analyses revealed accumulation of the stress-protective metabolite maltose and the tricarboxylic acid cycle intermediates fumarate and malate in SF-primed plants. Lipidome analysis indicated that those lipids associated with oxidative stress-induced cell death and chloroplast degradation, such as triacylglycerols (TAGs), declined upon SF priming. Our study demonstrated that SF confers tolerance to PQ-induced oxidative stress in A. thaliana, an effect achieved by modulating a range of processes at the transcriptomic, metabolic, and lipid levels. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 823 KW - Ascophyllum nodosum KW - Arabidopsis thaliana KW - biostimulant KW - paraquat KW - priming KW - oxidative stress tolerance KW - reactive oxygen species Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445093 SN - 1866-8372 IS - 823 ER - TY - JOUR A1 - Omidbakhshfard, Mohammad Amin A1 - Neerakkal, Sujeeth A1 - Gupta, Saurabh A1 - Omranian, Nooshin A1 - Guinan, Kieran J. A1 - Brotman, Yariv A1 - Nikoloski, Zoran A1 - Fernie, Alisdair R. A1 - Mueller-Roeber, Bernd A1 - Gechev, Tsanko S. T1 - A Biostimulant Obtained from the Seaweed Ascophyllum nodosum Protects Arabidopsis thaliana from Severe Oxidative Stress JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - Abiotic stresses cause oxidative damage in plants. Here, we demonstrate that foliar application of an extract from the seaweed Ascophyllum nodosum, SuperFifty (SF), largely prevents paraquat (PQ)-induced oxidative stress in Arabidopsis thaliana. While PQ-stressed plants develop necrotic lesions, plants pre-treated with SF (i.e., primed plants) were unaffected by PQ. Transcriptome analysis revealed induction of reactive oxygen species (ROS) marker genes, genes involved in ROS-induced programmed cell death, and autophagy-related genes after PQ treatment. These changes did not occur in PQ-stressed plants primed with SF. In contrast, upregulation of several carbohydrate metabolism genes, growth, and hormone signaling as well as antioxidant-related genes were specific to SF-primed plants. Metabolomic analyses revealed accumulation of the stress-protective metabolite maltose and the tricarboxylic acid cycle intermediates fumarate and malate in SF-primed plants. Lipidome analysis indicated that those lipids associated with oxidative stress-induced cell death and chloroplast degradation, such as triacylglycerols (TAGs), declined upon SF priming. Our study demonstrated that SF confers tolerance to PQ-induced oxidative stress in A. thaliana, an effect achieved by modulating a range of processes at the transcriptomic, metabolic, and lipid levels. KW - Ascophyllum nodosum KW - Arabidopsis thaliana KW - biostimulant KW - paraquat KW - priming KW - oxidative stress tolerance KW - reactive oxygen species Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.3390/ijms21020474 SN - 1422-0067 VL - 21 IS - 2 PB - Molecular Diversity Preservation International CY - Basel ER - TY - THES A1 - Apriyanto, Ardha T1 - Analysis of starch metabolism in source and sink tissue of plants T1 - Analyse des Stärkestoffwechsels im Source und Sink Gewebe von Pflanzen N2 - Starch is an essential biopolymer produced by plants. Starch can be made inside source tissue (such as leaves) and sink tissue (such as fruits and tubers). Nevertheless, understanding how starch metabolism is regulated in source and sink tissues is fundamental for improving crop production. Despite recent advances in the understanding of starch and its metabolism, there is still a knowledge gap in the source and sink metabolism. Therefore, this study aimed to summarize the state of the art regarding starch structure and metabolism inside plants. In addition, this study aimed to elucidate the regulation of starch metabolism in the source tissue using the leaves of a model organism, Arabidopsis thaliana, and the sink tissue of oil palm (Elaeis guineensis) fruit as a commercial crop. The research regarding the source tissue will focus on the effect of the blockage of starch degradation on the starch parameter in leaves, especially in those of A. thaliana, which lack both disproportionating enzyme 2 (DPE2) and plastidial glucan phosphorylase 1 (PHS1) (dpe2/phs1). The additional elimination of phosphoglucan water dikinase (PWD), starch excess 4 (SEX4), isoamylase 3 (ISA3), and disproportionating enzyme 1 (DPE1) in the dpe2/phs1 mutant background demonstrates the alteration of starch granule number per chloroplast. This study provides insights into the control mechanism of granule number regulation in the chloroplast. The research regarding the sink tissue will emphasize the relationship between starch metabolism and the lipid metabolism pathway in oil palm fruits. This study was conducted to observe the alteration of starch parameters, metabolite abundance, and gene expression during oil palm fruit development with different oil yields. This study shows that starch and sucrose can be used as biomarkers for oil yield in oil palms. In addition, it is revealed that the enzyme isoforms related to starch metabolism influence the oil production in oil palm fruit. Overall, this thesis presents novel information regarding starch metabolism in the source tissue of A.thaliana and the sink tissue of E.guineensis. The results shown in this thesis can be applied to many applications, such as modifying the starch parameter in other plants for specific needs. N2 - Stärke ist ein unverzichtbares Biopolymer, das von Pflanzen sowohl in den Quellgeweben (sources, z. B. Blätter) als auch in den Senkengeweben (sinks, z. B. Früchten und Knollen) gebildet wird. Daher ist ein profundes Wissen über die Regulation des Stärkestoffwechsel in den source und sink Organen von grundlegender Bedeutung für die Verbesserung der Pflanzenproduktion. Trotz der jüngsten Fortschritte im Verständnis des Stärkestoffwechsels bleiben weiterhin viele Fragen über den detaillierten source und sink Metabolismus offen. Ziel dieser Studie war es daher, den aktuellen Forschungsstand über die Struktur und den Stoffwechsel von Stärke in Pflanzen aufzuzeigen. Darüber hinaus sollte in dieser Studie die Regulierung des Stärkestoffwechsels in den Blättern (source) des Modellorganismus Arabidopsis thaliana und in den Ölpalmfrüchten (sink) von Elaeis guineensis, einer Nutzpflanze, aufgeklärt werden. Die Analyse des source Gewebes konzentrierte sich dabei auf die Auswirkungen auf Stärkeparamter wie beispielsweise die Granulazahl durch die Blockierung des Stärkeabbaus in Blättern. Dazu wurde die Arabidopsis Mutante, der das cytosolische Disproportionating Enzym 2 (DPE2) und die plastidiale Glucanphosphorylase 1 (PHS1) fehlen (dpe2/phs1), untersucht. Ebenfalls wurden Dreifachmutanten im Hintergund von dpe2/phs1, denen Starch excess 4 (SEX4), Isoamylase 3, Phosphoglucan-Wasser-Dikinase (PWD) oder das Disproportionating Enzym 1 (DPE1) fehlen, erzeugt. Die Analyse zeigt, dass die Anzahl der Stärkegranula pro Chloroplast nicht festgelegt ist und während des gesamten Wachstums der Pflanze reguliert wird. Diese Daten liefern ein verbessertes Verständnis über die Komplexität der Kontrollmechanismen der Granulazahlregulation in Chloroplasten. Die Untersuchung des sink Gewebes soll die Beziehung zwischen dem Stärkestoffwechsel und dem Lipidstoffwechselweg in Ölpalmenfrüchten verdeutlichen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Veränderung von Stärkeparametern, die Häufigkeit von Metaboliten und die Genexpression während der Entwicklung von Ölpalmenfrüchten mit unterschiedlichen Ölausbeuten zu erforschen. Die Analyse zeigt, dass sowohl Stärke als auch Saccharose als reliable Biomarker für den Ölertrag von Ölpalmen verwendet werden können. Darüber hinaus konnte bewiesen werden, dass die mit dem Stärkestoffwechsel verbundenen Enzymisoformen die Ölproduktion in Ölpalmenfrüchten beeinflussen. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Informationen über den Stärkestoffwechsel im source Gewebe von A.thaliana und im sink von E.guineensis. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse können für viele Anwendungen genutzt werden, z. B. für die Veränderung der Stärkeparameter in anderen Pflanzen für spezifische Bedürfnisse. KW - starch KW - oil palm KW - Arabidopsis thaliana KW - source and sink KW - Arabidopsis thaliana KW - Palmöl KW - Source und Sink KW - Stärke Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Bielecka, Monika T1 - Analysis of transcription factors under sulphur deficiency stress T1 - Analyse von Transkriptionsfaktoren unter Schwefelstress N2 - Sulphur, a macronutrient essential for plant growth, is among the most versatile elements in living organisms. Unfortunately, little is known about regulation of sulphate uptake and assimilation by plants. Identification of sulphate signalling processes will allow to control sulphate acquisition and assimilation and may prove useful in the future to improve sulphur-use efficiency in agriculture. Many of genes involved in sulphate metabolism are regulated on transcriptional level by products of other genes called transcription factors (TF). Several published experiments revealed TF genes that respond to sulphate deprivation, but none of these have been so far been characterized functionally. Thus, we aimed at identifying and characterising transcription factors that control sulphate metabolism in the model plant Arabidopsis thaliana. To achieve that goal we postulated that factors regulating Arabidopsis responses to inorganic sulphate deficiency change their transcriptional levels under sulphur-limited conditions. By comparing TF transcript profiles from plants grown on different sulphate regimes, we identified TF genes that may specifically induce or repress changes in expression of genes that allow plants to adapt to changes in sulphate availability. Candidate genes obtained from this screening were tested by reverse genetics approaches. Transgenic plants constitutively overproducing selected TF genes and mutant plants, lacking functional selected TF genes (knock out), were used. By comparing metabolite and transcript profiles from transgenic and wild type plants we aimed at confirming the role of selected AP2 TF candidate genes in plant adaptation to sulphur unavailability. After preliminary characterisation of WRKY24 and MYB93 TF genes, we postulate that these factors are involved in a complex multifactorial regulatory network, in which WRKY24 and MYB93 would act as superior factors regulating other transcription factors directly involved in the regulation of S-metabolism genes. Results obtained for plants overproducing TOE1 and TOE2 TF genes suggests that these factors may be involved in a mechanism, which is promoting synthesis of an essential amino acid, methionine, over synthesis of another amino acid, cysteine. Thus, TOE1 and TOE2 genes might be a part of transcriptional regulation of methionine synthesis. Approaches creating genetically manipulated plants may produce plant phenotypes of immediate biotechnological interest, such as plants with increased sulphate or sulphate-containing amino acid content, or better adapted to the sulphate unavailability. N2 - Der fuer das Pflanzenwachstum essentielle Makro-Naehrstoff Schwefel gehoert zu den vielseitigsten Elementen in lebenden Organismen. Ungluecklicherweise ist nur wenig ueber die Regulation der Schwefel Aufnahme und Assimilation von Pflanzen bekannt. Die Identifizierung von Schwefel Signalweiterleitungsprozessen wird es erlauben, die Aufnahme und Assimilation von Schwefel zu kontrollieren und koennte sich in der Zukunft als nuetzlich erweisen, die Effizienz der Schwefel Nutzung in der Landwirtschaft zu verbessern. Viele Gene, die am Schwefel Metabolismus beteiligt sind, werden auf Transkriptionsebene durch die Produkte anderer Gene, sogenannter Transkriptionsfaktoren (TF), reguliert. Mehrere veroeffentlichte Versuche beschreiben TF Gene, die auf Schwefel Mangel reagieren, es wurde jedoch bisher keines dieser Gene funktionell charakterisiert. Daher war es unser Ziel die TF, die den Schwefel Metabolismus in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana kontrollieren, zu identifizieren und charakterisieren. Um dies zu erreichen postulierten wir, dass die Faktoren, die die Reaktion von Arabidopsis auf den Mangel an anorganischem Schwefel regulieren, das Mass ihrer Transkription unter Schwefelmangel aendern. Durch den Vergleich von TF Transkriptionsprofilen von Pflanzen, die unter verschiedenen Schwefelbedingungen aufgezogen wurden, identifizierten wir TF Gene, die moeglicherweise spezifisch Aenderungen in der Expression von Genen, die den Pflanzen erlauben sich an Aenderungen der Schwefel Verfuegbarkeit anzupassen, induzieren oder reprimieren. Die bei dieser Untersuchung erhaltenen Kandidaten Gene wurden in einen „reverse genetics“ Ansatz getestet. Es wurden transgene Pflanzen, die ausgewaehlte TF Gene konstitutiv ueberproduzieren, und Mutanten, denen ausgewaehlte funktionierende TF Gene fehlen („knock out“), benutzt. Durch den Vergleich von Metabolisten und Transkript Profilen transgener und wildtyp Pflanzen zielten wir auf die Bestaetigung der Rolle ausgewaehlter AP2 TF Kandidaten Gene bei der Anpassung an Schwefel Unverfuegbarkeit ab. Nach vorlaeufiger Charakterisierung von WRKY24 und MYB93 TF Genen postulieren wir, dass diese Faktoren an einem komplexen multifaktoriellen Regulationsnetzwerk beteiligt sind, in dem WRKY24 und MYB93 als uebergeordnete Faktoren agieren und andere TF regulieren, die direkt an der Regulation von Schwefel Metabolismus Genen beteiligt sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Pflanzen, die TOE1 und TOE2 TF Gene ueberproduzieren deuten darauf hin, dass diese Faktoren an einem Mechanismus beteiligt sein koennten, der die Synthese einer essentiellen Aminosaeure, Methionin, zu Ungunsten der Synthese einer anderen Aminosaeure, Cystein, foerdert. Daher koennten TOE1 und TOE2 Gene Teil der transkriptionellen Regulation der Methionin Synthese sein. Die Herstellung genetisch manipulierter Pflanzen koennte Pflanzenphaenotypen erzeugen, die von sofortigem biotechnologischen Interesse sind, beispielsweise Pflanzen mit erhoehtem Gehalt an Schwefel oder schwefelhaltigen Aminosaeuren, oder Pflanzen, die besser an Schwefel Unverfuegbarkeit angepasst sind. KW - Schwefel KW - Transkriptionsfaktoren KW - Arabidopsis thaliana KW - sulphur KW - transcription factors KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14812 ER - TY - JOUR A1 - Bäurle, Isabel A1 - Brzezinka, Krzysztof A1 - Altmann, Simone T1 - BRUSHY1/TONSOKU/MGOUN3 is required for heat stress memory JF - Plant Cell & Environment N2 - Plants encounter biotic and abiotic stresses many times during their life cycle and this limits their productivity. Moderate heat stress (HS) primes a plant to survive higher temperatures that are lethal in the naïve state. Once temperature stress subsides, the memory of the priming event is actively retained for several days preparing the plant to better cope with recurring HS. Recently, chromatin regulation at different levels has been implicated in HS memory. Here, we report that the chromatin protein BRUSHY1 (BRU1)/TONSOKU/MGOUN3 plays a role in the HS memory in Arabidopsis thaliana. BRU1 is also involved in transcriptional gene silencing and DNA damage repair. This corresponds with the functions of its mammalian orthologue TONSOKU‐LIKE/NFΚBIL2. During HS memory, BRU1 is required to maintain sustained induction of HS memory‐associated genes, whereas it is dispensable for the acquisition of thermotolerance. In summary, we report that BRU1 is required for HS memory in A. thaliana, and propose a model where BRU1 mediates the epigenetic inheritance of chromatin states across DNA replication and cell division. KW - Arabidopsis thaliana KW - BRUSHY1 KW - chromatin KW - priming Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1111/pce.13365 VL - 42 SP - 771 EP - 781 ER - TY - GEN A1 - Brzezinka, Krzysztof A1 - Altmann, Simone A1 - Bäurle, Isabel T1 - BRUSHY1/TONSOKU/MGOUN3 is required for heat stress memory T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Plants encounter biotic and abiotic stresses many times during their life cycle and this limits their productivity. Moderate heat stress (HS) primes a plant to survive higher temperatures that are lethal in the naive state. Once temperature stress subsides, the memory of the priming event is actively retained for several days preparing the plant to better cope with recurring HS. Recently, chromatin regulation at different levels has been implicated in HS memory. Here, we report that the chromatin protein BRUSHY1 (BRU1)/TONSOKU/MGOUN3 plays a role in the HS memory in Arabidopsis thaliana. BRU1 is also involved in transcriptional gene silencing and DNA damage repair. This corresponds with the functions of its mammalian orthologue TONSOKU-LIKE/NF Kappa BIL2. During HS memory, BRU1 is required to maintain sustained induction of HS memory-associated genes, whereas it is dispensable for the acquisition of thermotolerance. In summary, we report that BRU1 is required for HS memory in A. thaliana, and propose a model where BRU1 mediates the epigenetic inheritance of chromatin states across DNA replication and cell division. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 788 KW - Arabidopsis thaliana KW - BRU1 KW - chromatin KW - priming Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436219 SN - 1866-8372 IS - 788 ER - TY - JOUR A1 - Liu, Hsiang-chin A1 - Lämke, Jörn A1 - Lin, Siou-ying A1 - Hung, Meng-Ju A1 - Liu, Kuan-Ming A1 - Charng, Yee-yung A1 - Bäurle, Isabel T1 - Distinct heat shock factors and chromatin modifications mediate the organ-autonomous transcriptional memory of heat stress JF - The plant journal N2 - Plants can be primed by a stress cue to mount a faster or stronger activation of defense mechanisms upon subsequent stress. A crucial component of such stress priming is the modified reactivation of genes upon recurring stress; however, the underlying mechanisms of this are poorly understood. Here, we report that dozens of Arabidopsis thaliana genes display transcriptional memory, i.e. stronger upregulation after a recurring heat stress, that lasts for at least 3 days. We define a set of transcription factors involved in this memory response and show that the transcriptional memory results in enhanced transcriptional activation within minutes of the onset of a heat stress cue. Further, we show that the transcriptional memory is active in all tissues. It may last for up to a week, and is associated during this time with histone H3 lysine 4 hypermethylation. This transcriptional memory is cis-encoded, as we identify a promoter fragment that confers memory onto a heterologous gene. In summary, heat-induced transcriptional memory is a widespread and sustained response, and our study provides a framework for future mechanistic studies of somatic stress memory in higher plants. KW - epigenetics KW - priming KW - heat stress KW - H3K4 methylation KW - transcriptional memory KW - Arabidopsis thaliana KW - HSF Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.13958 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 95 IS - 3 SP - 401 EP - 413 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Malinova, Irina A1 - Mahto, Harendra A1 - Brandt, Felix A1 - AL-Rawi, Shadha A1 - Qasim, Hadeel A1 - Brust, Henrike A1 - Hejazi, Mahdi A1 - Fettke, Jörg T1 - EARLY STARVATION1 specifically affects the phosphorylation action of starch-related dikinases JF - The plant journal N2 - Starch phosphorylation by starch-related dikinases glucan, water dikinase (GWD) and phosphoglucan, water dikinase (PWD) is a key step in starch degradation. Little information is known about the precise structure of the glucan substrate utilized by the dikinases and about the mechanisms by which these structures may be influenced. A 50-kDa starch-binding protein named EARLY STARVATION1 (ESV1) was analyzed regarding its impact on starch phosphorylation. In various invitro assays, the influences of the recombinant protein ESV1 on the actions of GWD and PWD on the surfaces of native starch granules were analyzed. In addition, we included starches from various sources as well as truncated forms of GWD. ESV1 preferentially binds to highly ordered, -glucans, such as starch and crystalline maltodextrins. Furthermore, ESV1 specifically influences the action of GWD and PWD at the starch granule surface. Starch phosphorylation by GWD is decreased in the presence of ESV1, whereas the action of PWD increases in the presence of ESV1. The unique alterations observed in starch phosphorylation by the two dikinases are discussed in regard to altered glucan structures at the starch granule surface. KW - Arabidopsis thaliana KW - EARLY STARVATION1 KW - glucan KW - phosphoglucan KW - starch granule surface KW - starch phosphorylation KW - water dikinase Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.13937 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 95 IS - 1 SP - 126 EP - 137 PB - Wiley CY - Hoboken 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 - TY - THES A1 - Moreno Curtidor, Catalina T1 - Elucidating the molecular basis of enhanced growth in the Arabidopsis thaliana accession Bur-0 N2 - The life cycle of flowering plants is a dynamic process that involves successful passing through several developmental phases and tremendous progress has been made to reveal cellular and molecular regulatory mechanisms underlying these phases, morphogenesis, and growth. Although several key regulators of plant growth or developmental phase transitions have been identified in Arabidopsis, little is known about factors that become active during embryogenesis, seed development and also during further postembryonic growth. Much less is known about accession-specific factors that determine plant architecture and organ size. Bur-0 has been reported as a natural Arabidopsis thaliana accession with exceptionally big seeds and a large rosette; its phenotype makes it an interesting candidate to study growth and developmental aspects in plants, however, the molecular basis underlying this big phenotype remains to be elucidated. Thus, the general aim of this PhD project was to investigate and unravel the molecular mechanisms underlying the big phenotype in Bur-0. Several natural Arabidopsis accessions and late flowering mutant lines were analysed in this study, including Bur-0. Phenotypes were characterized by determining rosette size, seed size, flowering time, SAM size and growth in different photoperiods, during embryonic and postembryonic development. Our results demonstrate that Bur-0 stands out as an interesting accession with simultaneously larger rosettes, larger SAM, later flowering phenotype and larger seeds, but also larger embryos. Interestingly, inter-accession crosses (F1) resulted in bigger seeds than the parental self-crossed accessions, particularly when Bur-0 was used as the female parental genotype, suggesting parental effects on seed size that might be maternally controlled. Furthermore, developmental stage-based comparisons revealed that the large embryo size of Bur-0 is achieved during late embryogenesis and the large rosette size is achieved during late postembryonic growth. Interestingly, developmental phase progression analyses revealed that from germination onwards, the length of developmental phases during postembryonic growth is delayed in Bur-0, suggesting that in general, the mechanisms that regulate developmental phase progression are shared across developmental phases. On the other hand, a detailed physiological characterization in different tissues at different developmental stages revealed accession-specific physiological and metabolic traits that underlie accession-specific phenotypes and in particular, more carbon resources during embryonic and postembryonic development were found in Bur-0, suggesting an important role of carbohydrates in determination of the bigger Bur-0 phenotype. Additionally, differences in the cellular organization, nuclei DNA content, as well as ploidy level were analyzed in different tissues/cell types and we found that the large organ size in Bur-0 can be mainly attributed to its larger cells and also to higher cell proliferation in the SAM, but not to a different ploidy level. Furthermore, RNA-seq analysis of embryos at torpedo and mature stage, as well as SAMs at vegetative and floral transition stage from Bur-0 and Col-0 was conducted to identify accession-specific genetic determinants of plant phenotypes, shared across tissues and developmental stages during embryonic and postembryonic growth. Potential candidate genes were identified and further validation of transcriptome data by expression analyses of candidate genes as well as known key regulators of organ size and growth during embryonic and postembryonic development confirmed that the high confidence transcriptome datasets generated in this study are reliable for elucidation of molecular mechanisms regulating plant growth and accession-specific phenotypes in Arabidopsis. Taken together, this PhD project contributes to the plant development research field providing a detailed analysis of mechanisms underlying plant growth and development at different levels of biological organization, focusing on Arabidopsis accessions with remarkable phenotypical differences. For this, the natural accession Bur-0 was an ideal outlier candidate and different mechanisms at organ and tissue level, cell level, metabolism, transcript and gene expression level were identified, providing a better understanding of different factors involved in plant growth regulation and mechanisms underlying different growth patterns in nature. N2 - Der Lebenszyklus blühender Pflanzen ist ein dynamischer Prozess, der das erfolgreiche Durchlaufen mehrerer Entwicklungsphasen impliziert. Es wurden enorme Fortschritte gemacht, um zelluläre und molekulare Regulationsmechanismen zu entschlüsseln, die diesen Phasen, der Morphogenese und dem Wachstum zu Grunde liegen. Obwohl mehrere Schlüsselregulatoren des Pflanzenwachstums oder der Entwicklungsphasenübergänge in Arabidopsis identifiziert wurden, ist nur wenig über Faktoren bekannt, die sowohl während der Embryogenese als auch während der Samenentwicklung und dem weiteren Wachstum aktiv werden. Noch viel weniger ist über akzessionspezifische Faktoren bekannt, die die Pflanzenarchitektur und Organgröße bestimmen. Bur-0 wurde als eine natürliche Arabidopsis-Akzession mit außergewöhnlich großen Samen und großer Blattrosette beschrieben. Ihr Phänotyp macht sie zu einem interessanten Kandidaten für die Untersuchung von Wachstums- und Entwicklungsaspekten in Pflanzen, jedoch muss die molekulare Basis, die diesem großen Phänotyp unterliegt, noch entschlüsselt werden. Daher war das allgemeine Ziel dieser Doktorarbeit, die molekularen Mechanismen, die dem großen Phänotyp in Bur-0 zu Grunde liegen, zu entschlüsseln und zu verstehen. Mehrere natürliche Arabidopsis-Akzessionen und spät blühende Mutantenlinien wurden in dieser Studie analysiert, so auch Bur-0. Die Phänotypen wurden durch eine detaillierte Analyse der Rosettengröße, der Samengröße, der Blütezeit, der Sprossapikalmeristemgröße und des Wachstums in verschiedenen Photoperioden, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung charakterisiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Bur-0 als interessanter Akzession mit gleichzeitig größeren Blattrosetten, größerem Sprossapikalmeristem (SAM), späterem Blühphänotyp und größeren Samen, aber auch größeren Embryonen auffällt. Interessanterweise führten Kreuzungen zwischen den Akzessionen (F1) zu größeren Samen als die elterlichen selbstgekreuzten Akzessionen, insbesondere wenn Bur-0 als weiblicher elterlicher Genotyp verwendet wurde, was auf elterliche Effekte auf die Samengröße hindeutet, die möglicherweise mütterlicherseits kontrolliert werden. Darüber hinaus ergaben Vergleiche auf Basis von Entwicklungsstadien, dass die große Embryogröße von Bur-0 während der späten Embryogenese erreicht wird und die große Blattrosette während des späten postembryonalen Wachstums. Interessanterweise ergaben Analysen der Entwicklungsphasenprogression, dass ab der Keimung die Länge der Entwicklungsphasen während des postembryonalen Wachstums bei Bur-0 verzögert ist, was darauf hindeutet, dass im Allgemeinen die Mechanismen, die die Entwicklungsphasenprogression regulieren, über die Entwicklungsphasen hinweg geteilt werden. Andererseits ergab eine detaillierte physiologische Charakterisierung in verschiedenen Geweben in unterschiedlichen Entwicklungsstadien akzession-spezifische physiologische und metabolische Merkmale, die den akzession-spezifischen Phänotypen zu Grunde liegen. Insbesondere wurden mehr Kohlenstoff-Ressourcen, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung in Bur-0 gefunden, was auf eine wichtige Rolle von Kohlenhydraten bei der Bestimmung des größeren Bur-0-Phänotyps hindeutet. Zusätzlich wurden Unterschiede in der zellulären Organisation, dem DNA-Gehalt der Nuklei sowie dem Ploidiegrad in verschiedenen Geweben/Zelltypen analysiert und wir fanden heraus, dass die größere Organgröße in Bur-0 hauptsächlich auf die größeren Zellen und auch auf eine höhere Zellproliferation im SAM zurückzuführen ist, aber nicht auf einen anderen Ploidiegrad. Darüber hinaus wurden RNA-seq-Analysen von Embryonen im Torpedo- und Reifestadium sowie SAMs im vegetativen und Florenübergangsstadium von Bur-0 und Col-0 durchgeführt, um akzession-spezifische genetische Faktoren für Pflanzenphänotypen zu identifizieren, die in allen Geweben und Entwicklungsstadien während des embryonalen und postembryonalen Wachstums auftreten. Potenzielle Kandidatengene wurden identifiziert und eine weitere Validierung der Transkriptomdaten durch Expressionsanalysen neuartiger Kandidatengene sowie bekannter Schlüsselregulatoren für Organgröße und -wachstum während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung bestätigte, dass die in dieser Studie generierten Transkriptomdatensätze mit hoher Zuverlässigkeit für die Aufklärung molekularer Mechanismen zur Regulierung des Pflanzenwachstums und akzessionspezifischer Phänotypen in Arabidopsis geeignet sind. Insgesamt trägt diese Doktorarbeit zur Forschung im Bereich der Pflanzenentwicklung bei, indem sie eine detaillierte Analyse der Mechanismen liefert, die dem Wachstum und der Entwicklung auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation zu Grunde liegen, wobei der Schwerpunkt auf Arabidopsis-Akzessionen mit bemerkenswerten phänotypischen Unterschieden liegt. Dafür war die natürliche Akzession Bur-0 ein idealer Ausreißerkandidat und es wurden verschiedene Mechanismen auf Organ- und Gewebeebene, Zellebene, Stoffwechsel, Transkript- und Genexpressionsniveau identifiziert, was ein besseres Verständnis der verschiedenen Faktoren, die an der Regulierung des Pflanzenwachstums beteiligt sind, und der Mechanismen, die den verschiedenen Wachstumsmustern in der Natur zu Grunde liegen, ermöglicht. KW - Plant development KW - Plant growth KW - Arabidopsis thaliana KW - Phenotype KW - Transcriptome KW - Pflanzenentwicklung KW - Pflanzenwachstum KW - Arabidopsis thaliana KW - Phänotyp KW - Transkriptom Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526814 ER - TY - JOUR A1 - Hansen, Bjoern Oest A1 - Meyer, Etienne H. A1 - Ferrari, Camilla A1 - Vaid, Neha A1 - Movahedi, Sara A1 - Vandepoele, Klaas A1 - Nikoloski, Zoran A1 - Mutwil, Marek T1 - Ensemble gene function prediction database reveals genes important for complex I formation in Arabidopsis thaliana JF - New phytologist : international journal of plant science N2 - Recent advances in gene function prediction rely on ensemble approaches that integrate results from multiple inference methods to produce superior predictions. Yet, these developments remain largely unexplored in plants. We have explored and compared two methods to integrate 10 gene co-function networks for Arabidopsis thaliana and demonstrate how the integration of these networks produces more accurate gene function predictions for a larger fraction of genes with unknown function. These predictions were used to identify genes involved in mitochondrial complex I formation, and for five of them, we confirmed the predictions experimentally. The ensemble predictions are provided as a user-friendly online database, EnsembleNet. The methods presented here demonstrate that ensemble gene function prediction is a powerful method to boost prediction performance, whereas the EnsembleNet database provides a cutting-edge community tool to guide experimentalists. KW - Arabidopsis thaliana KW - co-function network KW - complex I KW - ensemble prediction KW - gene function prediction Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1111/nph.14921 SN - 0028-646X SN - 1469-8137 VL - 217 IS - 4 SP - 1521 EP - 1534 PB - Wiley CY - Hoboken ER - 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 - Skirycz, Aleksandra T1 - Functional analysis of selected DOF transcription factors in the model plant Arabidopsis thaliana T1 - Funktionsanalyse ausgewählter DOF-Transkriptionsfaktoren bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana N2 - Transcription factors (TFs) are global regulators of gene expression playing essential roles in almost all biological processes, and are therefore of great scientific and biotechnological interest. This project focused on functional characterisation of three DNA-binding-with-one-zinc-finger (DOF) TFs from the genetic model plant Arabidopsis thaliana, namely OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. These genes were selected due to severe growth phenotypes conferred upon their constitutive over-expression. To identify biological processes regulated by OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 in detail molecular and physiological characterization of transgenic plants with modified levels of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 expression (constitutive and inducible over-expression, RNAi) was performed using both targeted and profiling technologies. Additionally expression patterns of studied TFs and their target genes were analyzed using promoter-GUS lines and publicly available microarray data. Finally selected target genes were confirmed by chromatin immuno-precipitation and electrophoretic-mobility shift assays. This combinatorial approach revealed distinct biological functions of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. Specifically OBP2 controls indole glucosinolate / auxin homeostasis by directly regulating the enzyme at the branch of these pathways; CYP83B1 (Skirycz et al., 2006). Glucosinolates are secondary compounds important for defence against herbivores and pathogens in the plants order Caparales (e.g. Arabidopsis, canola and broccoli) whilst auxin is an essential plant hormone. Hence OBP2 is important for both response to biotic stress and plant growth. Similarly to OBP2 also AtDOF4;2 is involved in the regulation of plant secondary metabolism and affects production of various phenylpropanoid compounds in a tissue and environmental specific manner. It was found that under certain stress conditions AtDOF4;2 negatively regulates flavonoid biosynthetic genes whilst in certain tissues it activates hydroxycinnamic acid production. It was hypothesized that this dual function is most likely related to specific interactions with other proteins; perhaps other TFs (Skirycz et al., 2007). Finally OBP1 regulates both cell proliferation and cell expansion. It was shown that OBP1 controls cell cycle activity by directly targeting the expression of core cell cycle genes (CYCD3;3 and KRP7), other TFs and components of the replication machinery. Evidence for OBP1 mediated activation of cell cycle during embryogenesis and germination will be presented. Additionally and independently on its effects on cell proliferation OBP1 negatively affects cell expansion via reduced expression of cell wall loosening enzymes. Summing up this work provides an important input into our knowledge on DOF TFs function. Future work will concentrate on establishing exact regulatory networks of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 and their possible biotechnological applications. N2 - Biologische Prozesse, wie beispielsweise das Wachstum von Organen und ganzen Organismen oder die Reaktion von Lebewesen auf ungünstige Umweltbedingungen, unterliegen zahlreichen Regulationsmechanismen. Besonders wichtige Regulatoren sind die sogenannten Transkriptionsfaktoren. Dabei handelt es sich um Proteine, die die Aktivität von Erbeinheiten, den Genen, beeinflussen. In Pflanzen gibt es etwa 2000 solcher Regulatoren. Da sie wichtige Kontrollelemente darstellen, sind sie von großem wissenschaftlichen und biotechnologischen Interesse. Im Rahmen der Doktorarbeit sollte die Funktion von drei Transkriptionsfaktoren, genannt OBP1, OBP2 und AtDOF4;2, untersucht werden. Sie wurden bei der Suche nach neuen Wachstumsregulatoren identifiziert. Als Untersuchungsobjekt diente die in der Öffentlichkeit kaum bekannte Pflanze Ackerschmalwand, lateinisch als Arabidopsis thaliana bezeichnet. Um die Funktion der Regulatoren zu entschlüsseln, wurden an der Modellpflanze genetische Veränderungen durchgeführt und die Pflanzen dann mit molekularbiologischen und physiologischen Methoden analysiert. Es zeigte sich, dass OBP1 an der Regulation der Zellteilung beteiligt ist. Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Gelingt es, die Zellteilung gezielt zu steuern, kann damit beispielsweise die Produktion von pflanzlicher Biomasse verbessert werden. Das OBP1-Protein übt auch einen Einfluss auf die Zellstreckung aus und beeinflusst auch auf diesem Wege das pflanzliche Wachstum. Die beiden anderen Proteine steuern Prozesse, die im Zusammenhang mit der Bildung von Pflanzeninhaltsstoffen stehen. OBP2 ist Teil eines zellulären Netzwerkes, dass die Synthese von sogenannten Glucosinolaten steuert. Glucosinolate kommen unter anderem in Broccoli und Kohl vor. Sie fungieren als Abwehrstoffe gegen Fraßinsekten. Einigen Glucosinolaten wird auch gesundheitsfördernde Wirkung zugesprochen. Das Protein AtDOF4;2 ist Komponente eines anderen Netzwerkes, dass die Bildung von Phenylpropanoiden steuert. Diese Substanzen haben strukturelle Funktion und spielen darüber hinaus eine Rolle bei der pflanzlichen Toleranz gegenüber tiefen Temperaturen. Mit der Doktorarbeit konnte das Wissen über die Transkriptionsfaktoren erheblich erweitert und die Grundlage für interessante zukünftige Arbeiten gelegt werden. Von großer Bedeutung wird es dabei sein, die Netzwerke, in die die Transkriptionsfaktoren eingebunden sind, noch besser zu verstehen. Dann wird es möglich sein, auch Teilnetzwerke gezielt zu beeinflussen, was für biotechnologische Anwendungen, beispielsweise bei der Präzisionszüchtung von nachwachsenden Rohstoffen, von zentraler Bedeutung ist. KW - Transkriptionsfaktoren KW - Arabidopsis thaliana KW - transcription factors KW - Arabidopsis thaliana KW - cell cycle KW - secondary metabolism Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16987 ER - TY - THES A1 - Bieniawska, Zuzanna T1 - Functional analysis of the sucrose synthase gene family in Arabidopsis thaliana T1 - Funktionelle Analyse der Saccharose Synthase Genfamilie in Arabidopsis thaliana N2 - Sucrose synthase (Susy) is a key enzyme of sucrose metabolism, catalysing the reversible conversion of sucrose and UDP to UDP-glucose and fructose. Therefore, its activity, localization and function have been studied in various plant species. It has been shown that Susy can play a role in supplying energy in companion cells for phloem loading (Fu and Park, 1995), provides substrates for starch synthesis (Zrenner et al., 1995), and supplies UDP-glucose for cell wall synthesis (Haigler et al., 2001). Analysis of the Arabidopsis genome identifies six Susy isoforms. The expression of these isoforms was investigated using promoter-reporter gene constructs (GUS) and real time RT-PCR. Although these isoforms are closely related at the protein level they have radically different spatial and temporal patterns of expression in the plant with no two isoforms showing the same distribution. More than one isoform is expressed in all organs examined. Some of them have high but specific expression in particular organs or developmental stages whilst others are constantly expressed throughout the whole plant and across various stages of development. The in planta function of the six Susy isoforms were explored through analysis of T-DNA insertion mutants and RNAi lines. Plants without the expression of individual isoforms show no differences in growth and development, and are not significantly different from wild type plants in soluble sugars, starch and cellulose contents under all growth conditions investigated. Analysis of T-DNA insertion mutant lacking Sus3 isoform that was exclusively expressed in stomata cells only had a minor influence on guard cell osmoregulation and/or bioenergetics. Although none of the sucrose synthases appear to be essential for normal growth under our standard growth conditions, they may be necessary for growth under stress conditions. Different isoforms of sucrose synthase respond differently to various abiotic stresses. It has been shown that oxygen deprivation up regulates Sus1 and Sus4 and increases total Susy activity. However, the analysis of the plants with reduced expression of both Sus1 and Sus4 revealed no obvious effects on plant performance under oxygen deprivation. Low temperature up regulates Sus1 expression but the loss of this isoform has no effect on the freezing tolerance of non acclimated and cold acclimated plants. These data provide a comprehensive overview of the expression of this gene family which supports some of the previously reported roles for Susy and indicates the involvement of specific isoforms in metabolism and/or signalling. N2 - Saccharose spielt eine zentrale Rolle in höheren Pflanzen. Es zählt zu den wichtigsten Kohlenhydraten und wird als Nährstoff, Speicherstoff (z.B. in Zuckerrüben, Zuckerrohr, Mohrrüben) oder auch als potentielles Signalmolekül verwendet. Saccharose ist eines der primären Endprodukte der Photosynthese in den grünen Blättern der Pflanzen, kann aber auch in nicht-photosynthetisch aktiven Geweben (z.B. in keimenden Samen) synthetisiert und verstoffwechselt werden. Die Saccharosesynthase (Susy) stellt ein Schlüsselenzym im Saccharosestoffwechsel dar. Es katalysiert die reversible Umwandlung von Saccharose zu UDP-Glukose und Fruktose. Die Aktivität, die Lokalisierung und die Funktionen der Susy wurden bereits in verschiedenen Pflanzenarten untersucht. Dabei hatte sich herausgestellt, daß die Susy eine wichtige Rolle in der Bereitstellung von Energie für Transportprozesse spielt. Außerdem stellt Susy die Substrate für die Stärkesynthese in Speichergeweben, sowie fast alle Substrate für die Zellwandsynthese bereit. Eine Untersuchung des Genoms von Arabidopsis thaliana ergab, daß die Ackerschmalwand sechs Isoformen der Susy besitzt. Die Expression dieser Isoformen wurde mittels Echtzeit RT-PCR analysiert. Obwohl die verschiedenen Isoformen auf Proteinebene in ihrer Sequenz sehr ähnlich sind, zeigen sie Unterschiede in ihrem zeitlichen und räumlichen Auftreten innerhalb der Pflanze. Einige der Isoformen sind hoch exprimiert in speziellen Organen oder Entwicklungsstufen der Pflanze. Andere hingegen sind gleichmäßig in der ganzen Pflanze und über verschiedene Entwicklungsstufen hinaus exprimiert. In allen untersuchten Organen der Pflanze ist mehr als eine Isoform exprimiert. Um die spezifische Funktion der einzelnen Isoformen aufzuklären, wurden für alle sechs Saccharosesynthasen Mutanten-Linien isoliert und analysiert. Alle Pflanzen, bei denen die Expression einer bestimmten Isoform fehlte, zeigten im Vergleich zu Wildtyppflanzen keine signifikanten Unterschiede in Wachstum und Entwicklung. Des Weiteren waren die Gehalte an Stärke, Saccharose und Zellulose in Blättern und Wurzeln im Vergleich zu Wildtyppflanzen unverändert. Mutanten, denen die ausschließlich in Schließzellen lokalisierte Isoform Sus3 fehlte, zeigten nur geringe Veränderungen in der Osmoregulation und/oder der Bioenergetik der Schließzellen. Daraus kann gefolgert werden, dass in dem Ackerunkraut Arabidopsis keine der Saccharosesynthasen essentiell für normales Wachstum unter Standardbedingungen ist. Es ist jedoch möglich, dass Saccharosesynthasen unter Stressbedingungen benötigt werden. Es war bereits bekannt, dass einzelne Isoformen der Susy auf Stress reagieren und in ihrer Expression verändert sind. Es konnte gezeigt werden, daß Sauerstoffmangel zu einer Erhöhung der Expression der Isoformen Sus1 und Sus4 und zu einer Zunahme der Susy Gesamtaktivität führt. Die Analyse von Pflanzen mit reduzierter Expression von Sus1 und Sus4 zeigte jedoch, dass Sauerstoffmangel keinen offensichtlichen Einfluss auf das Wachstum dieser Pflanzen hat. Niedrige Temperaturen führen zu einer Erhöhung der Sus1 Expression, aber auch ein Verlust dieser Isoform hat keinen Einfluss auf die Gefriertoleranz von normalen oder an Kälte akklimatisierten Pflanzen. Diese Ergebnisse bieten einen umfassenden Einblick in die Expression der Genfamilie der Saccharosesynthase; sie untermauern die genannten Funktionen der Saccharosesynthase und weisen auf eine mögliche Beteiligung mehrerer Isoformen am Saccharosestoffwechsel und/oder der Signaltransduktion hin. KW - Saccharose Synthase KW - Genfamilie KW - Ackerschmalwand KW - sucrose synthase KW - gene family KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13132 ER - TY - GEN A1 - Riano-Pachon, Diego Mauricio A1 - Nagel, Axel A1 - Neigenfind, Jost A1 - Wagner, Robert A1 - Basekow, Rico A1 - Weber, Elke A1 - Müller-Röber, Bernd A1 - Diehl, Svenja A1 - Kersten, Birgit T1 - GabiPD : the GABI primary database - a plant integrative "omics" database N2 - The GABI Primary Database, GabiPD (http:// www.gabipd.org/), was established in the frame of the German initiative for Genome Analysis of the Plant Biological System (GABI). The goal of GabiPD is to collect, integrate, analyze and visualize primary information from GABI projects. GabiPD constitutes a repository and analysis platform for a wide array of heterogeneous data from high-throughput experiments in several plant species. Data from different ‘omics’ fronts are incorporated (i.e. genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics), originating from 14 different model or crop species. We have developed the concept of GreenCards for textbased retrieval of all data types in GabiPD (e.g. clones, genes, mutant lines). All data types point to a central Gene GreenCard, where gene information is integrated from genome projects or NCBI UniGene sets. The centralized Gene GreenCard allows visualizing ESTs aligned to annotated transcripts as well as displaying identified protein domains and gene structure. Moreover, GabiPD makes available interactive genetic maps from potato and barley, and protein 2DE gels from Arabidopsis thaliana and Brassica napus. Gene expression and metabolic-profiling data can be visualized through MapManWeb. By the integration of complex data in a framework of existing knowledge, GabiPD provides new insights and allows for new interpretations of the data. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 137 KW - Phosphorylation sites KW - Arabidopsis thaliana KW - Information KW - Proteins KW - Families Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-45075 ER - TY - THES A1 - Kryvych, Sergiy T1 - Gene expression profiling in different stages of development of Arabidopsis thaliana leaftrichomes at the single cell level T1 - Genexpressionsanalyse basierend auf Einzelzelltechniken in ausgewählten Stadien der Trichomentwicklung von Arabidopsis thaliana N2 - Each organ of a multicellular organism is unique at the level of its tissues and cells. Furthermore, responses to environmental stimuli or developmental signals occur differentially at the single cell or tissue level. This underlines the necessity of precise investigation of the “building block of life” -the individual cell. Although recently large amount of data concerning different aspects of single cell performance was accumulated, our knowledge about development and differentiation of individual cell within specialized tissue are still far from being complete. To get more insight into processes that occur in certain individual cell during its development and differentiation changes in gene expression during life cycle of A. thaliana leaf hair cell (trichome) were explored in this work. After onset of trichome development this cell changes its cell cycle: it starts endoreduplication (a modified cell cycle in which DNA replication continues in the absence of mitosis and cytokinesis). This makes trichomes a suitable model for studying cell cycle regulation, regulation of cell development and differentiation. Cells of interest were sampled by puncturing them with glass microcapillaries. Each sample contained as few as ten single cells. At first time trichomes in initial stage of trichome development were investigated. To allow their sampling they were specifically labelled by green fluorescent protein (GFP). In total three cell types were explored: pavement cells, trichome initials and mature trichomes. Comparison of gene expression profiles of these cells allowed identification of the genes differentially expressed in subsequent stages of trichome development. Bioinformatic analysis of genes preferentially expressed in trichome initials showed their involvement in hormonal, metal, sulphur response and cell-cycle regulation. Expression pattern of three selected candidate genes, involved in hormonal response and early developmental processes was confirmed by independent method. Effects of mutations in these genes on both trichome and plant development as well as on plant metabolism were analysed. As an outcome of this work novel components in the sophisticated machinery of trichome development and cell cycle progression were identified. These factors could integrate hormone stimuli and network interactions between characterized and as yet unknown members of this machinery. I expect findings presented in this work to enhance and complement our current knowledge about cell cycle progression and trichome development, as well as about performance of the individual cell in general. N2 - Jedes Organ eines vielzelligen Organismus weißt einzigartige Merkmale auf seiner Gewebe und Zellebene auf. Darüber hinaus, werden entwicklungsabhängige sowie aus der Umwelt empfangene Signale zelltypspezifisch interpretiert. Aus dieser Spezialisierung einzelner Zellen ergibt sich somit unmittelbar die Notwendigkeit einzelne Zellen, als Bausteine komplexer Organe, individuell zu untersuchen. Obwohl in den letzten Jahrzehnten große Datenmengen über verschiedene Aspekte einzelner Zellen akkumuliert wurden, ist das Gesamtbild der Differenzierung und Entwicklung individueller Zellen in einem vielzelligen Organismus weitgehend unbekannt. Um der Frage nachzugehen, welche Prozesse sich in einer einzelnen Zelle während ihrer Differenzierung und Entwicklung abspielen, wurden Genexpressionsprofile einzelner Blatthaarzellen der Pflanze Arabidopsis thaliana in verschiedene Entwicklungsstadien erstellt. Nach dem Beginn der Entwicklung einer Protodermalzelle in ein Blatthaar (Trichom) kommt es zu einem Umschalten des Zellzyklus; Endoreduplikation setzt ein. Dies bedeutet, dass DNA repliziert wird, aber keine Zellteilung mehr stattfindet. Aus diesem Grunde eignen sich heranwachsende Trichome besonders gut Mechanismen zu erforschen, die in Verbindung mit der Zellzyklusregulation und Zellentwicklung stehen. Die Inhalte ausgewählter Einzelzellen wurden mit Glasmikrokapillaren extrahiert. Jeweils zehn derartige Einzelzellextrakte wurden daraufhin vereint. Als besonders hervorzuheben gilt, dass es uns in dieser Studie zum ersten mal überhaupt gelang die Inhalte einzelner Trichomzellen in ganz frühen Entwicklungsstadien zu extrahieren und anschließend zu analysieren. Um die Extraktion der Inhalte dieser frühen Zellstadien überhaupt zu ermöglichen, war es erforderlich diese mit dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) zu markieren. Neben den Trichominitialzellen wurden ausgewachsene Trichomzellen sowie Epidermiszellen (Pavementzellen) mittels der Einzelzelltechnik untersucht. Ein Vergleich der erstellten Genexpressionsprofile dieser drei Zelltypen ermöglichte es Gene zu identifizieren, die in den ausgewählten Entwicklungsstadien der Trichombildung differentiell induziert wurden. Mittels bioinformatischer Analysemethoden gelang es, Gruppen von Genen zu identifieren, die exklusiv in Trichominitialzellen exprimiert sind und den Kategorien, Hormonregulation, Metallhomeostase, Schwefelstoffwechesol sowie Zellzyklusregulation zuzuordnen sind. Weiterhin wurde das Expressionsmuster dreier ausgewählter Kandidatengene mit alternativen Techniken verifiziert. Die ausgewählten Kandidatengene gehörten den Katergorien, Hormonrespons sowie frühe Entwicklungsprozesse, an. Darüber hinaus wurden Mutanten in allen drei Gene erzeugt und der Einfluss dieser Mutationen auf die Trichomentwicklung analysiert. Ein weiterer Aspekt der Mutantenanalyse lag in der Erstellung von Metabolitenprofilen ausgewählter Mutanten. Als ein wesentliches Ziel dieser Arbeit gelang es mir bisher unbekannte Komponenten in der Trichomentwicklung und damit der Zellzyklusregulation zu identifizieren. Diese neu identifizierten Komponenten führen zu einer Integration der hormonellen Kontrolle der Zellteilung und Entwicklung mit bisher unbekannten Faktoren. Ich erwarte, dass die von mir erbrachten Ergebnisse zu einem tieferen Verständnis der Prozesse, die an der Trichomentwicklung sowie an der Zellzyklusregulation beteiligt sind, beitragen. Insbesondere, zu einem erweiterten Verständnis des Verhaltens individueller Zellen in einem vielzelligen Organismus. KW - Arabidopsis thaliana KW - Single cell level KW - Gene expression profiling KW - Cell cycle KW - Plant hormones KW - Leaf trichomes KW - Trichome initial cells Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-17474 ER - TY - THES A1 - Lisec, Jan T1 - Identification and characterization of metabolic Quantitative Trait Loci (QTL) in Arabidopsis thaliana T1 - Identifizierung und Charakterisierung von metabolischen Loci quantitativer Merkmale (QTL) in Arabidopsis thaliana N2 - Plants are the primary producers of biomass and thereby the basis of all life. Many varieties are cultivated, mainly to produce food, but to an increasing amount as a source of renewable energy. Because of the limited acreage available, further improvements of cultivated species both with respect to yield and composition are inevitable. One approach to further progress in developing improved plant cultivars is a systems biology oriented approach. This work aimed to investigate the primary metabolism of the model plant A.thaliana and its relation to plant growth using quantitative genetics methods. A special focus was set on the characterization of heterosis, the deviation of hybrids from their parental means for certain traits, on a metabolic level. More than 2000 samples of recombinant inbred lines (RILs) and introgression lines (ILs) developed from the two accessions Col-0 and C24 were analyzed for 181 metabolic traces using gas-chromatography/ mass-spectrometry (GC-MS). The observed variance allowed the detection of 157 metabolic quantitative trait loci (mQTL), genetic regions carrying genes, which are relevant for metabolite abundance. By analyzing several hundred test crosses of RILs and ILs it was further possible to identify 385 heterotic metabolic QTL (hmQTL). Within the scope of this work a robust method for large scale GC-MS analyses was developed. A highly significant canonical correlation between biomass and metabolic profiles (r = 0.73) was found. A comparable analysis of the results of the two independent experiments using RILs and ILs showed a large agreement. The confirmation rate for RIL QTL in ILs was 56 % and 23 % for mQTL and hmQTL respectively. Candidate genes from available databases could be identified for 67 % of the mQTL. To validate some of these candidates, eight genes were re-sequenced and in total 23 polymorphisms could be found. In the hybrids, heterosis is small for most metabolites (< 20%). Heterotic QTL gave rise to less candidate genes and a lower overlap between both populations than was determined for mQTL. This hints that regulatory loci and epistatic effects contribute to metabolite heterosis. The data described in this thesis present a rich source for further investigation and annotation of relevant genes and may pave the way towards a better understanding of plant biology on a system level. N2 - Pflanzen sind die Primärproduzenten von Biomasse und damit Grundlage allen Lebens. Sie werden nicht nur zur Gewinnung von Nahrungsmitteln, sondern zunehmend auch als Quelle erneuerbarer Energien kultiviert. Aufgrund der Begrenztheit der weltweit zu Verfügung stehenden Anbaufläche ist eine zielgerichtete Selektion und Verbesserung der verwendeten Sorten unabdingbar. Um solch eine kontinuierliche Verbesserung zu gewährleisten, ist ein grundlegendes Verständnis des biologischen Systems Pflanze nötig. Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Primärmetabolismus der Modellpflanze A. thaliana mit Methoden der quantitativen Genetik zu untersuchen und in Beziehung zu Wachstum und Biomasse zu stellen. Insbesondere sollte Heterosis, die Abweichung von Hybriden in ihren Merkmalen vom Mittelwert der Eltern, auf Stoffwechselebene charakterisiert werden. Mit Hilfe der Gas Chromatographie/ Massen Spektrometrie (GC-MS) wurden über 2000 Proben von rekombinanten Inzucht Linien (RIL) und Introgressions Linien (IL) der Akzessionen Col 0 und C24 bezüglich des Vorkommens von 181 Metaboliten untersucht. Die beobachtete Varianz erlaubte die Bestimmung von 157 metabolischen QTL (mQTL), genetischen Regionen, die für die Metabolitkonzentrationen relevante Gene enthalten. Durch die Untersuchung von Testkreuzungen der RILs und ILs konnten weiterhin 385 heterotische metabolische QTL (hmQTL) identifiziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine robuste Methode zur Auswertung von GC-MS Analysen entwickelt. Es wurde eine hoch signifikante kanonische Korrelation (r=0.73) zwischen Biomasse und Metabolitprofilen gefunden. Die unterschiedlichen Ansätze zur QTL Analyse, RILs und ILs, wurden verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Methoden komplementär sind, da mit RILs gefundene mQTL zu 56% und hmQTL zu 23% in ILs bestätigt wurden. Durch den Vergleich mit Datenbanken wurden für 67% der mQTL Kandidatengene identifiziert. Um diese zu überprüfen wurden acht dieser Gene resequenziert und insgesamt 23 Polymorphismen darin bestimmt. Die Heterosis in den Hybriden ist für die meisten Metabolite gering (<20%). Für hmQTL konnten weniger Kandidatengene als für mQTL bestimmt werden und sie zeigten eine geringere Übereinstimmung in den beiden Populationen. Dies deutet darauf hin, daß regulatorische Loci und epistatische Effekte einen wichtigen Beitrag zur Heterosis besteuern. Die gewonnenen Daten stellen eine reiche Quelle für die weitergehende Untersuchung und Annotation relevanter Gene dar und ebnen den Weg für ein besseres Verständnis des Systems Pflanze. KW - Arabidopsis thaliana KW - Metabolomics KW - QTL Analyse KW - Arabidopsis thaliana KW - Metabolomics KW - QTL mapping Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-25903 ER - TY - JOUR A1 - Malinova, Irina A1 - Kössler, Stella A1 - Orawetz, Tom A1 - Matthes, Ulrike A1 - Orzechowski, Slawomir A1 - Koch, Anke A1 - Fettke, Jörg T1 - Identification of two Arabidopsis thaliana plasma membrane transporters able to transport glucose 1-phosphate JF - Plant & cell physiology N2 - Primary carbohydrate metabolism in plants includes several sugar and sugar-derivative transport processes. Over recent years, evidences have shown that in starch-related transport processes, in addition to glucose 6-phosphate, maltose, glucose and triose-phosphates, glucose 1-phosphate also plays a role and thereby increases the possible fluxes of sugar metabolites in planta. In this study, we report the characterization of two highly similar transporters, At1g34020 and At4g09810, in Arabidopsis thaliana, which allow the import of glucose 1-phosphate through the plasma membrane. Both transporters were expressed in yeast and were biochemically analyzed to reveal an antiport of glucose 1-phosphate/phosphate. Furthermore, we showed that the apoplast of Arabidopsis leaves contained glucose 1-phosphate and that the corresponding mutant of these transporters had higher glucose 1-phosphate amounts in the apoplast and alterations in starch and starch-related metabolism. KW - apoplast KW - Arabidopsis thaliana KW - glucose 1-phosphate transport KW - starch metabolism KW - sugar transport Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1093/pcp/pcz206 SN - 0032-0781 SN - 1471-9053 VL - 61 IS - 2 SP - 381 EP - 392 PB - Oxford University Press CY - Oxford ER - TY - THES A1 - Mahto, Harendra T1 - In vitro analysis of Early Starvation 1 (ESV1) and Like Early Starvation 1 (LESV) on starch degradation with focus on glucan, water dikinase (GWD) and phosphoglucan, water dikinase (PWD) N2 - Starch is an insoluble polyglucan, comprises of two polymers, namely, the branched α-1,4: α-1,6-D-glucan amylopectin and the almost unbranched α-1,4-D-glucan amylose. The growth of all plants is directly dependent on the accumulation of transitory starch during the daytime when photosynthesis takes place and subsequently starch degradation during the night. Starch phosphorylation takes place by starch-related dikinases called α-glucan, water dikinase (GWD), and phosphoglucan, water dikinase (PWD), and is a very important step in starch degradation. The biochemical mechanisms of phosphorylation of starch are not properly understood. Recent studies have found that there are two starch binding proteins namely, Early Starvation1 (ESV1) and Like Early Starvation1 (LESV), which play an important role in starch metabolism. It has been shown that ESV1 and LESV proteins affect the starch phosphorylation activity of GWD and PWD enzymes, which control the rate of degradation of starch granules. In this thesis, various in vitro assays were performed to identify and understand the mechanism of recombinant proteins; ESV1 and LESV on the starch degradation. The starch degradation was performed by phosphorylation enzymes, GWD and PWD separately. In various enzymatic assays, the influence of the ESV1 and LESV on the actions of GWD and PWD on the surfaces of different native starch granules were analysed. Furthermore, ESV1 and LESV have specifically shown influences on the phosphorylation activities of GWD and PWD on the starch granule surfaces in an antagonistic pattern in such a way that, the GWD mediated phosphorylation were significantly reduced while PWD mediated phosphorylation were significantly increased respectively. In another set of experiments, ISA and BAM hydrolyzing enzymes were used to alter the structure of starch, and then determine the effect of both dikinases mediated phosphorylation in the presence of ESV1 and LESV on the altered starch granules surfaces. In these results, significant decreases in both GWD and PWD mediated phosphorylation were observed in all the treatments containing either ESV1 or LESV proteins only or both ESV1 and LESV. It was also found that LESV preferentially binds to both amylose and amylopectin, while ESV1 binds to highly ordered glucans such as maltodextrins and amylopectin, which are crystalline in structure. Both ESV1 or LESV proteins either individually or in combination have shown influence on the activity of GWD and PWD phosphate incorporation into the starch granules via reduction even though at different percentages depending on the sources of starch, therefore it is difficult to distinguish the specific function between them. The biochemical studies have shown that protein-glucan interaction specifically between ESV1 or LESV or in combination with different species of starch granules has very strong surface binding, or it might be possible that both the proteins not only bind to the surface of the starch granules but also have entered deep inside the glucan structure of the starch granules. However, the results also revealed that ESV1 and LESV did not alter the autophosphorylation of the dikinases. Also, the chain length distribution pattern of the released glucan chains after treatment of starch with ISA enzyme was evaluated with respect to the degree of polymerization (DP) of the different starch granules. Capillary electrophoresis was employed to study the effect of LESV and ESV1 on the chain length distribution. In summary, this study confirms that ESV1 and LESV play an important role in organizing and regulating the starch metabolism process. In the later half, studies were performed to monitor whether the metabolism of carbohydrates and partitioning, contribute to the higher salt tolerance of the facultative halophyte Hordeum marinum when compared to glycophyte Hordeum vulgare. Seedlings with the same size from both species were hydroponically grown at 0, 150, and 300 mM of NaCl for 3 weeks. H. marinum maintained a high relative growth rate, which was found concomitant in higher aptitude plants to maintain efficient shoot tissue hydration and integrity of membrane under salt conditions when compared to H. vulgare. Hence, our data suggested that the change in the starch storage, distribution of soluble sugar concentrations between source and sink organs, and also changes in the level of enzymes involved in the starch metabolism was significant to give insights into the importance of carbohydrate metabolism in barley species with regards to the salt tolerance. Although these results are still in their nascent state, it could be vital for other researchers to formulate future studies. The preliminary results which were studies about the carbohydrate metabolism and partitioning in salt responses in the halophyte H. marinum and the glycophyte H. vulgare revealed that salt tolerance in barley species is not due to osmotic adjustments, but due to other reasons that were not explored in the past studies. However, the activity of DPE2 in H. vulgare was not hampered by the presence of NaCl as observed. While Pho1 and Pho2, activities were highly increased in cultivated barley. These findings could be suggestive of a possible role of these enzymes in the responses of carbohydrate metabolism to salinity. When sea and cultivated barley species were compared, it was discovered that the former had more versatility in carbohydrate metabolism and distribution. N2 - Stärke ist ein unlösliches Polyglucan, das aus zwei Polymeren besteht, nämlich dem verzweigten α-1,4: α-1,6-D-Glucan Amylopektin und dem fast unverzweigten α-1,4-D-Glucan Amylose. Das Wachstum aller Pflanzen hängt direkt von der Akkumulation transitorischer Stärke während des Tages, wenn die Photosynthese stattfindet, und dem anschließenden Stärkeabbau während der Nacht ab. Die Phosphorylierung von Stärke erfolgt durch stärkeverwandte Dikinasen, die α-Glucan-Wasser-Dikinase (GWD) und Phosphoglucan-Wasser-Dikinase (PWD), und ist ein entscheidender Schritt beim Stärkeabbau. Die biochemischen Mechanismen der Phosphorylierung von Stärke sind nicht genau bekannt. Jüngste Studien haben ergeben, dass es zwei stärkebindende Proteine gibt, nämlich Early Starvation1 (ESV1) und Like Early Starvation1 (LESV), die eine wichtige Rolle im Stärkestoffwechsel spielen. Es hat sich gezeigt, dass ESV1- und LESV-Proteine die Stärkephosphorylierungsaktivität der GWD- und PWD-Enzyme beeinflussen, die die Geschwindigkeit des Abbaus von Stärkekörnern steuern. In dieser Arbeit wurden verschiedene In-vitro-Tests durchgeführt, um den Mechanismus der rekombinanten Proteine ESV1 und LESV auf den Stärkeabbau zu identifizieren und zu verstehen.Der Stärkeabbau wurde von den Phosphorylierungsenzymen GWD und PWD getrennt durchgeführt. In verschiedenen enzymatischen Assays wurde der Einfluss von ESV1 und LESV auf die Wirkung von GWD und PWD auf die Oberflächen verschiedener nativer Stärkekörner analysiert. Darüber hinaus haben ESV1 und LESV spezifisch Einflüsse auf die Phosphorylierungsaktivitäten von GWD und PWD auf den Oberflächen der Stärkekörner in einem antagonistischen Muster gezeigt, so dass die GWD-vermittelte Phosphorylierung signifikant reduziert wurde, während die PWD-vermittelte Phosphorylierung signifikant erhöht wurde. In einer anderen Versuchsreihe wurden ISA- und BAM verwendet, um die Struktur der Stärke zu verändern und dann die Auswirkungen der durch beide Dikinasen vermittelten Phosphorylierung in Gegenwart von ESV1 und LESV auf die veränderten Oberflächen der Stärkekörner zu bestimmen. In diesen Ergebnissen wurde ein signifikanter Rückgang der GWD- und PWD-vermittelten Phosphorylierung in allen Behandlungen beobachtet, die entweder nur ESV1- oder LESV-Proteine oder sowohl ESV1 als auch LESV enthielten. Es wurde auch festgestellt, dass LESV vorzugsweise an Amylose und Amylopektin bindet, während ESV1 an hochgeordnete Glucane wie Maltodextrine und Amylopektin bindet, die eine kristalline Struktur aufweisen. Sowohl ESV1- als auch LESV-Proteine haben entweder einzeln oder in Kombination einen Einfluss auf die Aktivität des GWD- und PWD-Phosphateinbaus in die Stärkekörner durch Reduktion gezeigt, jedoch zu unterschiedlichen Prozentsätzen, je nach Stärkequelle, so dass es schwierig ist, ihre spezifische Funktion zu unterscheiden. Die biochemischen Untersuchungen zeigen, dass die Protein-Glucan-Interaktion speziell zwischen ESV1 oder LESV oder in Kombination mit verschiedenen Arten von Stärkekörnern eine sehr starke Oberflächenbindung aufweist, oder es ist möglich, dass beide Proteine nicht nur an die Oberfläche der Stärkekörner binden, sondern auch tief in die Glucanstruktur der Stärkekörner eingedrungen sind. Die Ergebnisse zeigten jedoch auch, dass ESV1 und LESV die Autophosphorylierung der Dikinasen nicht veränderten. Außerdem wurde die Kettenlängenverteilung der freigesetzten Glucanketten nach Behandlung der Stärke mit dem ISA-Enzym im Hinblick auf den Polymerisationsgrad (DP) der verschiedenen Stärkekörner bewertet. Mit Hilfe der Kapillarelektrophorese wurde die Wirkung von LESV und ESV1 auf die Kettenlängenverteilung untersucht. Zusammenfassend bestätigt diese Studie, dass ESV1 und LESV eine wichtige Rolle bei der Organisation und Regulierung des Stärkestoffwechsels spielen. In der zweiten Hälfte wurden Untersuchungen durchgeführt, um zu prüfen, ob der Stoffwechsel von Kohlenhydraten und deren Verteilung zu der höheren Salztoleranz des fakultativen Halophyten Hordeum marinum im Vergleich zum Glykophyten Hordeum vulgare beitragen. Die gleich großen Sämlinge beider Arten wurden 3 Wochen lang bei 0, 150 und 300 mM NaCl hydroponisch gezogen. H. marinum wies eine hohe relative Wachstumsrate auf, die mit einer höheren Fähigkeit der Pflanzen einherging, unter Salzbedingungen eine effiziente Hydratation des Sprossgewebes und die Integrität der Membran aufrechtzuerhalten, als dies bei H. vulgare der Fall war. Unsere Daten deuten also darauf hin, dass die Veränderungen in der Stärkespeicherung, die Verteilung der Konzentrationen löslicher Zucker zwischen Source- und Sinkorganen und auch die Veränderungen in der Menge der am Stärkestoffwechsel beteiligten Enzyme von Bedeutung sind und Einblicke in die Bedeutung des Kohlenhydratstoffwechsels bei Gerstenarten im Hinblick auf die Salztoleranz geben. Obwohl sich diese Ergebnisse noch im Anfangsstadium befinden, könnten sie für andere Forscher bei der Formulierung künftiger Studien von entscheidender Bedeutung sein. Die vorläufigen Ergebnisse der Studien über den Kohlenhydratstoffwechsel und die Verteilung der Kohlenhydrate bei Salzreaktionen im Halophyten H. marinum und im Glykophyten H. vulgare haben gezeigt, dass die Salztoleranz bei Gerstenarten nicht auf osmotische Anpassungen zurückzuführen ist, sondern auf andere Gründe, die in den bisherigen Studien nicht untersucht wurden. Die Aktivität von DPE2 in H. vulgare wurde jedoch nicht wie beobachtet durch die Anwesenheit von NaCl beeinträchtigt. Dagegen waren die Aktivitäten von Pho1 und Pho2 in kultivierter Gerste stark erhöht. Diese Ergebnisse könnten auf eine mögliche Rolle dieser Enzyme bei der Reaktion des Kohlenhydratstoffwechsels auf den Salzgehalt hinweisen. Beim Vergleich von Meeres- und Kulturgerstenarten wurde festgestellt, dass erstere eine größere Vielseitigkeit im Kohlenhydratstoffwechsel und in der Kohlenhydratverteilung aufweisen. KW - Arabidopsis thaliana KW - starch phosphorylation KW - phosphoglucan KW - starch granule surface KW - Early Starvation 1 Y1 - 2022 ER - TY - JOUR A1 - Wang, Meng A1 - Li, Panpan A1 - Ma, Yao A1 - Nie, Xiang A1 - Grebe, Markus A1 - Men, Shuzhen T1 - Membrane sterol composition in Arabidopsis thaliana affects root elongation via auxin biosynthesis JF - International journal of molecular sciences N2 - Plant membrane sterol composition has been reported to affect growth and gravitropism via polar auxin transport and auxin signaling. However, as to whether sterols influence auxin biosynthesis has received little attention. Here, by using the sterol biosynthesis mutant cyclopropylsterol isomerase1-1 (cpi1-1) and sterol application, we reveal that cycloeucalenol, a CPI1 substrate, and sitosterol, an end-product of sterol biosynthesis, antagonistically affect auxin biosynthesis. The short root phenotype of cpi1-1 was associated with a markedly enhanced auxin response in the root tip. Both were neither suppressed by mutations in polar auxin transport (PAT) proteins nor by treatment with a PAT inhibitor and responded to an auxin signaling inhibitor. However, expression of several auxin biosynthesis genes TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS1 (TAA1) was upregulated in cpi1-1. Functionally, TAA1 mutation reduced the auxin response in cpi1-1 and partially rescued its short root phenotype. In support of this genetic evidence, application of cycloeucalenol upregulated expression of the auxin responsive reporter DR5:GUS (beta-glucuronidase) and of several auxin biosynthesis genes, while sitosterol repressed their expression. Hence, our combined genetic, pharmacological, and sterol application studies reveal a hitherto unexplored sterol-dependent modulation of auxin biosynthesis during Arabidopsis root elongation. KW - Arabidopsis thaliana KW - auxin KW - auxin biosynthesis KW - cycloeucalenol KW - CPI1 KW - sitosterol KW - sterol Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/ijms22010437 SN - 1422-0067 VL - 22 IS - 1 PB - MDPI CY - Basel ER -