TY - THES A1 - Liu, Qingting T1 - Regulation of Starch Granule Morphogenesis in Arabidopsis thaliana N2 - Carbohydrates play a vital role in all living organisms; serving as a cornerstone in primary metabolism through the release of energy from their hydrolysis and subsequent re-utilization (Apriyanto et al., 2022). Starch is the principal carbohydrate reserve in plants, providing essential energy for plant growth. Furthermore, starch serves as a significant carbohydrate source in the human diet. Beyond its nutritional value, starch has extensive industrial application associated with many aspects of human society, such as feed, pharmacy, textiles, and the production of biodegradable plastics. Understanding the mechanisms underlying starch metabolism in plants carries multifaceted benefits. Not only does it contribute to increasing crop yield and refining grain quality, but also can improve the efficiency of industrial applications. Starch in plants is categorized into two classes based on their location and function: transitory starch and storage starch. Transitory starch is produced in chloroplasts of autotrophic tissues/organs, such as leaves. It is synthesized during the day and degraded during the night. Storage starch is synthesized in heterotrophic tissues/organs, such as endosperm, roots and tubers, which is utilized for plant reproduction and industrial application in human life. Most studies aiming to comprehend starch metabolism of Arabidopsis thaliana primarily focus on transitory starch. Starch is stored as granular form in chloroplast and amyloplast. The parameters of starch granules, including size, morphology, and quantity per chloroplast serve as indicators of starch metabolism status. However, the understanding of their regulatory mechanism is still incomplete. In this research, I initially employed a simple and adapted method based on laser confocal scanning microscopy (LCSM) to observe size, morphology and quantity of starch granules within chloroplasts in Arabidopsis thaliana in vivo. This method facilitated a rapid and versatile analysis of starch granule parameters across numerous samples. Utilizing this approach, I compared starch granule number per chloroplast between mesophyll cells and guard cells in both wild type plants (Col-0) and several starch related mutants. The results revealed that the granule number is distinct between mesophyll cells and guard cells, even within the same genetic background, suggesting that guard cells operate a unique regulatory mechanism of starch granule number. Subsequently, I redirected my attention toward examining starch morphology. Through microscopy analyses, I observed a gradual alteration in starch granule morphology in certain mutants during leaf aging. Specifically, in mutants such as sex1-8 and dpe2phs1ss4, there was a progressive alteration in starch granule morphology over time. Conversely, in Col-0 and ss4 mutant, these morphological alterations were not evident. This discovery suggests a new perspective to understand the development of starch morphology. Further investigation revealed that mutants lacking either Disproportionating enzyme 2 (DPE2) or MALTOSE-EXCESS 1 (MEX1) exhibited gradual alterations in starch morphology with leaf aging. Notably, the most severe effects on starch morphology occurred in double mutants lacking either DPE2 or MEX1 in conjunction with a lack of starch synthase 4 (SS4). In these mutations, a transformation of the starch granule morphology from the typical discoid morphology to oval and eventually to a spherical shape. To investigate the changes in the internal structure of starch during this alteration, I analyzed the chain length distribution (CLD) of the amylopectin of young, intermediate and old leaves of the mutants. Throughout starch granule development, I found an increased presence of short glucan chains within the granules, particularly evident in dpe2ss4 and mex1ss4 mutants, as well as their parental single mutants. Notably, the single mutant ss4 also showed an affected granule morphology, albeit not influenced by leaf aging.. The CLD pattern of the amylopectin reflects an integrative regulation involving several participants in starch synthesis, including starch synthases (SSs), starch branching/debranching enzymes (SBEs/DBEs). Therefore, I further detected the expression of related genes on transcription level and the enzymatic activity of their respective proteins. Results indicated altered gene expression of several regulators in these mutants, particularly demonstrating dramatic alterations in dpe2 and dpe2ss4 with leaf aging. These changes corresponded with the observed alterations in starch granule morphology. Taken together, I have identified and characterized a progressive alteration in starch granule morphology primarily resulting from the deficiencies in DPE2 and MEX1. Furthermore, I have associated the CLD pattern with the granule morphogenesis, as well as the gene expression and enzymatic activity of proteins involved in starch synthesis. Unlike SS4, which is implicated in starch initiation, MEX1 and DPE2 are involved into starch degradation. MEX1 is located in chloroplast envelope and DPE2 is situated in the cytosol. Considering the locations and known functions of DPE2/MEX1 and SS4, I infer that there might be two pathways influencing starch morphology: an initiation-affected pathway via SS4 and a degradation-affected pathway via DPE2/MEX1. N2 - Kohlenhydrate spielen eine wichtige Rolle in allen lebenden Organismen, als Grundpfeiler im primären Stoffwechsel, indem sie Energie durch ihre Hydrolyse freisetzen und anschließend wiederverwendet werden können (Apriyanto et al., 2022). Stärke ist die Hauptreserve an Kohlenhydraten in Pflanzen und liefert die essentielle Energie für das Pflanzenwachstum. Darüber hinaus dient Stärke als bedeutende Kohlenhydratquelle in der menschlichen Ernährung. Abgesehen von ihrem Nährwert hat Stärke umfangreiche industrielle Anwendungen in Bereichen wie Futtermittel, Pharmazie, Textilien und der Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe. Das Verständnis der Mechanismen, die dem Stoffwechsel von Stärke in Pflanzen zugrunde liegen, birgt vielfältige Vorteile. Es trägt nicht nur zur Steigerung des Ernteertrags und zur Verbesserung der Kornqualität bei, sondern kann auch die Effizienz industrieller Anwendungen verbessern. Stärke in Pflanzen wird je nach ihrem Ort und ihrer Funktion in zwei Klassen eingeteilt: transitorische Stärke und Speicherstärke. Transitorische Stärke wird in Chloroplasten autotropher Gewebe/Organe wie Blätter produziert. Sie wird tagsüber synthetisiert und nachts abgebaut. Speicherstärke wird in heterotrophen Geweben/Organen wie Endosperm, Wurzeln und Knollen synthetisiert und für die Pflanzenreproduktion sowie industrielle Anwendungen im menschlichen Leben genutzt. Die meisten Studien zur Aufklärung des Stärkestoffwechsels von Arabidopsis thaliana konzentrieren sich hauptsächlich auf transitorische Stärke. Stärke wird in granularer Form in Chloroplasten und Amyloplasten gespeichert. Die Parameter der Stärkegranula, einschließlich Größe, Morphologie und Anzahl pro Chloroplast, dienen als Indikatoren für den Status des Stärkestoffwechsels. Das Verständnis ihrer regulatorischen Mechanismen ist jedoch noch unvollständig. In meiner Forschung habe ich zunächst eine Methode auf Basis der laser-konfokalen Rastermikroskopie (LCSM) etabliert, um Größe, Morphologie und Anzahl der Stärkegranula innerhalb der Chloroplaste von Arabidopsis thaliana in vivo zu beobachten. Diese Methode ermöglicht eine schnelle und vielseitige Analyse der Parameter der Stärkegranula in zahlreichen Proben. Unter Verwendung dieses Ansatzes verglich ich die Anzahl der Stärkegranula pro Chloroplast zwischen Mesophyllzellen und Schließzellen sowohl bei Wildtyp-Pflanzen (Col-0) als auch bei verschiedenen stärkebezogenen Mutanten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Granulanzahl zwischen Mesophyllzellen und Schließzellen, selbst im identischen genetischen Hintergrund, unterschiedlich ist, was darauf hindeutet, dass Schließzellen einen einzigartigen regulatorischen Mechanismus der Stärkegranulanzahl aufweisen. Anschließend richtete ich meine Aufmerksamkeit darauf, die Stärkemorphologie zu untersuchen. Durch mikroskopische Analysen beobachtete ich eine allmähliche Veränderung der Stärkegranulamorphologie bei bestimmten Mutanten während des Blattalters. Insbesondere bei Mutanten wie sex1-8 und dpe2phs1ss4 gab es im Laufe der Zeit eine fortschreitende Veränderung der Stärkegranulamorphologie. Im Gegensatz dazu waren bei Col-0 und den ss4-Mutanten diese morphologischen Veränderungen nicht erkennbar. Diese Entdeckung ermöglicht eine neue Perspektive, um die Entwicklung der Stärkemorphologie zu verstehen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass Mutanten, denen entweder das Disproportionierende Enzym 2 (DPE2) oder MALTOSE-EXCESS 1 (MEX1) fehlen, im Laufe des Blattalters allmähliche Veränderungen in der Stärkemorphologie aufwiesen. Bemerkenswerterweise traten die schwerwiegendsten Auswirkungen auf die Stärkemorphologie bei Doppelmutanten auf, die entweder DPE2 oder MEX1 in Verbindung mit einem Mangel an Stärkesynthase 4 (SS4) aufwiesen. Bei diesen Mutationen wurde eine Transformation der Stärkegranulamorphologie von der typischen scheibenförmigen Morphologie zu ovalen und schließlich zu einer kugelförmigen Form festgestellt. Um die Veränderungen in der inneren Struktur der Stärke während dieser Veränderung zu untersuchen, analysierte ich die Kettenlängenverteilung (KLV) des Amylopektins von jungen, mittleren und alten Blättern der Mutanten. Während der Entwicklung der Stärkegranula fand ich eine vermehrte Anwesenheit kurzer Glukanketten innerhalb der Granula, insbesondere bei den Mutanten dpe2ss4 und mex1ss4 sowie der zugrundeliegenden Einzelmutanten. Bemerkenswerterweise zeigte auch die Einzelmutant ss4 eine beeinträchtigte Granulamorphologie, die jedoch nicht durch das Blattalter beeinflusst wurde. Das KLV-Muster des Amylopektins spiegelt eine integrierte Regulation mehrerer an der Stärkesynthese Beteiligter Enzyme wider, einschließlich Stärkesynthasen (SSs) und Stärkeverzweigungs-/entzweigungs-Enzymen (SBEs/DBEs). Daher habe ich die Expression der beteiligten Gene auf Transkriptionsebene und die enzymatische Aktivität ihrer entsprechenden Proteine weiter untersucht. Die Ergebnisse deuten auf veränderte Genexpression mehrerer Regulatoren in diesen Mutanten hin, insbesondere auf dramatische Veränderungen bei dpe2 und dpe2ss4 mit zunehmendem Blattalter. Diese Veränderungen korrelieren mit den beobachteten Veränderungen in der Stärkegranulamorphologie. Zusammenfassend habe ich eine fortschreitende Veränderung der Stärkegranulat-Morphologie identifiziert und charakterisiert, die hauptsächlich auf Defizite in DPE2 und MEX1 zurückzuführen ist. Des Weiteren habe ich das KLV-Muster mit der Granulatmorphogenese sowie der Genexpression und enzymatischen Aktivität von Proteinen, die an der Stärkesynthese beteiligt sind, in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu SS4, dass in die Stärkeinitiierung involviert ist, spielen MEX1 und DPE2 eine Rolle bei Stärkeabbauprozessen. MEX1 befindet sich in der Chloroplastenhülle und DPE2 im Zytoplasma. Unter Berücksichtigung der Lokalisationen und bekannten Funktionen von DPE2, MEX1 und SS4 schließe ich darauf, dass es möglicherweise zwei Wege gibt, die die Stärkemorphologie beeinflussen: einen unter Beeinflussung von SS4 der mit dem Initiierungsprozess verknüpft ist und einen durch den Stärkeabbauprozess beeinflussten verbunden mit DPE2 bzw. MEX1. T2 - Regulation der Stärkegranulat-Morphogenese in Arabidopsis thaliana KW - Arabidopsis thaliana KW - transitory starch KW - starch granule morphology KW - starch metabolism KW - maltose KW - SS4 KW - DPE2 KW - MEX1 Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Martinez-Seidel, Federico T1 - Ribosome Heterogeneity and Specialization during Temperature Acclimation in Plants N2 - Ribosomes decode mRNA to synthesize proteins. Ribosomes, once considered static, executing machines, are now viewed as dynamic modulators of translation. Increasingly detailed analyses of structural ribosome heterogeneity led to a paradigm shift toward ribosome specialization for selective translation. As sessile organisms, plants cannot escape harmful environments and evolved strategies to withstand. Plant cytosolic ribosomes are in some respects more diverse than those of other metazoans. This diversity may contribute to plant stress acclimation. The goal of this thesis was to determine whether plants use ribosome heterogeneity to regulate protein synthesis through specialized translation. I focused on temperature acclimation, specifically on shifts to low temperatures. During cold acclimation, Arabidopsis ceases growth for seven days while establishing the responses required to resume growth. Earlier results indicate that ribosome biogenesis is essential for cold acclimation. REIL mutants (reil-dkos) lacking a 60S maturation factor do not acclimate successfully and do not resume growth. Using these genotypes, I ascribed cold-induced defects of ribosome biogenesis to the assembly of the polypeptide exit tunnel (PET) by performing spatial statistics of rProtein changes mapped onto the plant 80S structure. I discovered that growth cessation and PET remodeling also occurs in barley, suggesting a general cold response in plants. Cold triggered PET remodeling is consistent with the function of Rei-1, a REIL homolog of yeast, which performs PET quality control. Using seminal data of ribosome specialization, I show that yeast remodels the tRNA entry site of ribosomes upon change of carbon sources and demonstrate that spatially constrained remodeling of ribosomes in metazoans may modulate protein synthesis. I argue that regional remodeling may be a form of ribosome specialization and show that heterogeneous cytosolic polysomes accumulate after cold acclimation, leading to shifts in the translational output that differs between wild-type and reil-dkos. I found that heterogeneous complexes consist of newly synthesized and reused proteins. I propose that tailored ribosome complexes enable free 60S subunits to select specific 48S initiation complexes for translation. Cold acclimated ribosomes through ribosome remodeling synthesize a novel proteome consistent with known mechanisms of cold acclimation. The main hypothesis arising from my thesis is that heterogeneous/ specialized ribosomes alter translation preferences, adjust the proteome and thereby activate plant programs for successful cold acclimation. N2 - Ribosomen dekodieren mRNA, um Proteine zu synthetisieren. Ribosomen, früher als statische, ausführende Maschinen betrachtet, werden heute als dynamische Modulatoren der Translation angesehen. Zunehmend detailliertere Analysen der Strukturheterogenität von Ribosomen führte zu einem Paradigmenwechsel hin zu einer Spezialisierung von Ribosomen für eine selektive Translation. Als sessile Organismen können Pflanzen schädlichen Umwelteinflüssen nicht ausweichen und haben Strategien entwickelt, um diesen zu widerstehen. Zytosolische Ribosomen von Pflanzen sind in mancher Hinsicht vielfältiger, als die von anderen Metazoen. Diese Vielfalt könnte zur Stressakklimatisierung der Pflanzen beitragen. Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen, ob Pflanzen die Heterogenität der Ribosomen nutzen, um die Proteinsynthese durch spezialisierte Translation zu regulieren. Ich habe mich auf die Temperaturakklimatisierung konzentriert, insbesondere auf den Wechsel zu niedrigen Temperaturen. Im Verlauf der Kälteakklimatisierung stellt Arabidopsis das Wachstum für sieben Tage ein. Währenddessen etabliert sie die für die Wiederaufnahme des Wachstums erforderlichen Anpassungen. Vorherige Ergebnisse deuten darauf hin, dass Ribosomenbiogenese für die Kälteakklimatisierung essentiell ist. REIL-Mutanten (reil-dkos), denen ein 60S-Reifungsfaktor fehlt, akklimatisieren sich nicht erfolgreich und nehmen das Wachstum nicht wieder auf. Anhand dieser Genotypen habe ich kältebedingte Defekte der Ribosomenbiogenese auf den Aufbau des Polypeptidaustritts-Tunnels (PET) zurückgeführt, indem ich räumliche statistische Analysen von rProtein-Veränderungen auf die pflanzliche 80S-Struktur abgebildet habe. Ich habe entdeckt, dass Wachstumsstillstand und PET-Umbau auch in Gerste auftreten, was auf eine allgemeine Kältereaktion in Pflanzen hindeutet. Der durch Kälte ausgelöste PET-Umbau stimmt über ein mit der Funktion von Rei-1, einem REIL-homologen Protein aus Hefe, in der Rei-1 die PET-Qualitätskontrolle durchführt. Anhand bahnbrechender Daten zur Ribosomenspezialisierung zeige ich, dass Hefe die tRNA-Eintrittsstelle von Ribosomen bei einem Wechsel von Kohlenstoffquellen umbaut, und demonstriere, dass ein räumlich begrenzter Umbau von Ribosomen in Metazoen die Proteinsynthese modulieren kann. Ich argumentiere, dass die regionale Umgestaltung eine Form der Ribosomenspezialisierung sein kann, und zeige, dass nach einer Kälteakklimatisierung heterogene zytosolische Polysomen akkumulieren, was zu Verschiebungen im Translationsoutput führt, der sich zwischen Wildtyp und reil-dkos unterscheidet. Ich habe festgestellt, dass die heterogenen Komplexe aus neu synthetisierten und wiederverwendeten Proteinen bestehen. Ich schlage vor, dass maßgeschneiderte Ribosomenkomplexe freie 60S-Untereinheiten in die Lage versetzen, spezifische 48S-Initiationskomplexe für die Translation auszuwählen. Kälte-akklimatisierte Ribosomen synthetisieren durch Ribosomenumbau ein neues Proteom, das mit bekannten Mechanismen der Kälteakklimatisierung übereinstimmt. Die Haupthypothese, die sich aus meiner Arbeit ergibt, ist, dass heterogene/spezialisierte Ribosomen ihre Translationspräferenzen verändern, das Proteom anpassen und dadurch Pflanzenprogramme für eine erfolgreiche Kälteakklimatisierung aktivieren. T2 - Ribosomenheterogenität und -spezialisierung während der Temperaturakklimatisierung in Pflanzen KW - Ribosome specialization KW - Ribosomal protein heterogeneity KW - Ribosomal protein substoichiometry KW - Protein synthesis KW - Translational regulation KW - Plant cytosolic translation KW - Cold acclimation KW - Ribosome biogenesis KW - 60S maturation KW - Hordeum vulgare KW - Arabidopsis thaliana KW - 60S-Reifung KW - Kälteakklimatisierung KW - Cytosolische Translation in Pflanzen KW - Proteinsynthese KW - Ribosomale Proteinheterogenität KW - Ribosomale Protein Substöchiometrie KW - Ribosomen-Biogenese KW - Ribosomen-Spezialisierung KW - Translationsregulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-580724 ER - TY - THES A1 - von Bismarck, Thekla T1 - The influence of long-term light acclimation on photosynthesis in dynamic light N2 - Photosynthesis converts light into metabolic energy which fuels plant growth. In nature, many factors influence light availability for photosynthesis on different time scales, from shading by leaves within seconds up to seasonal changes over months. Variability of light energy supply for photosynthesis can limit a plant´s biomass accumulation. Plants have evolved multiple strategies to cope with strongly fluctuation light (FL). These range from long-term optimization of leaf morphology and physiology and levels of pigments and proteins in a process called light acclimation, to rapid changes in protein activity within seconds. Therefore, uncovering how plants deal with FL on different time scales may provide key ideas for improving crop yield. Photosynthesis is not an isolated process but tightly integrates with metabolism through mutual regulatory interactions. We thus require mechanistic understanding of how long-term light acclimation shapes both, dynamic photosynthesis and its interactions with downstream metabolism. To approach this, we analyzed the influence of growth light on i) the function of known rapid photosynthesis regulators KEA3 and VCCN1 in dynamic photosynthesis (Chapter 2-3) and ii) the interconnection of photosynthesis with photorespiration (PR; Chapter 4). We approached topic (i) by quantifying the effect of different growth light regimes on photosynthesis and photoprotection by using kea3 and vccn1 mutants. Firstly, we found that, besides photosynthetic capacity, the activities of VCCN1 and KEA3 during a sudden high light phase also correlated with growth light intensity. This finding suggests regulation of both proteins by the capacity of downstream metabolism. Secondly, we showed that KEA3 accelerated photoprotective non-photochemical quenching (NPQ) kinetics in two ways: Directly via downregulating the lumen proton concentration and thereby de-activating pH-dependent NPQ, and indirectly via suppressing accumulation of the photoprotective pigment zeaxanthin. For topic (ii), we analyzed the role of PR, a process which recycles a toxic byproduct of the carbon fixation reactions, in metabolic flexibility in a dynamically changing light environment. For this we employed the mutants hpr1 and ggt1 with a partial block in PR. We characterized the function of PR during light acclimation by tracking molecular and physiological changes of the two mutants. Our data, in contrast to previous reports, disprove a generally stronger physiological relevance of PR under dynamic light conditions. Additionally, the two different mutants showed pronounced and distinct metabolic changes during acclimation to a condition inducing higher photosynthetic activity. This underlines that PR cannot be regarded purely as a cyclic detoxification pathway for 2PG. Instead, PR is highly interconnected with plant metabolism, with GGT1 and HPR1 representing distinct metabolic modulators. In summary, the presented work provides further insight into how energetic and metabolic flexibility is ensured by short-term regulators and PR during long-term light acclimation. N2 - Photosynthese wandelt Lichtenergie in metabolische Energie um, welche das Pflanzenwachstum antreibt. In der Natur wird die Verfügbarkeit von Licht von vielerlei Faktoren auf unterschiedlichen Zeitskalen beeinflusst, z. B. von der Beschattung durch Blätter innerhalb von Sekunden bis hin zu jahreszeitlichen Veränderungen über Monate. Fluktuationen in der Lichtenergieverfügbarkeit in der Natur kann die Biomasseakkumulation der Pflanzen limitieren. Pflanzen haben verschiedene Strategien entwickelt, um stark fluktuierendes Licht nutzen zu können. Diese reichen von der langfristigen Optimierung der Blattmorphologie und Physiologie und des Gehalts an Pigmenten und Proteinen in dem Prozess der Lichtakklimatisierung bis hin zu schnellen Veränderungen der Proteinaktivität innerhalb von Sekunden. Daher kann die Aufdeckung der Art und Weise, wie Pflanzen mit FL auf verschiedenen Zeitskalen umgehen, wichtige Ideen zur Verbesserung der Ernteerträge liefern. Die Photosynthese ist kein isolierter Prozess, sondern steht in enger Interaktion mit den nachgeschalteten Stoffwechselwegen. Daher benötigen wir mechanistisches Verständnis, wie Lichtakklimatisierung die dynamische Photosynthese als auch deren Interaktion mit Downstream-Metabolismus moduliert. Dafür haben wir den Einfluss von Lichtakklimatisierung auf i) die Funktion der schnellen Photosyntheseregulatoren KEA3 und VCCN1 in der dynamischen Photosynthese und ii) die flexible Interaktion von Photorespiration mit Photosynthese analysiert. Im ersten Themenkomplex (i) wurden die Auswirkungen verschiedener Wachstumslicht-bedingungen auf Photosynthese und Photoprotektion anhand von kea3- und vccn1-Mutanten quantifiziert. Zum einen konnten wir zeigen, dass neben der photosynthetischen Kapazität auch die Aktivitäten von VCCN1 und KEA3 während eines Hochlichtpulses mit der Wachstumslichtintensität korrelierten. Dies deutet auf eine Regulierung beider Proteine durch die Kapazität des Downstream-Metabolismus hin. Zum anderen beschleunigte KEA3 die Kinetik des photoprotektiven nicht-photochemischen Quenchings (NPQ) auf zweifache Weise: Direkt über die Herabregulierung der lumenalen Protonenkonzentration, was den pH-abhängigen NPQ deaktivierte, und indirekt über die Unterdrückung der Akkumulation des photoprotektiven Pigments Zeaxanthin. Für das zweite Thema (ii) untersuchten wir die Rolle des photorespiratorischen Metabolismus (PR), welcher ein toxisches Nebenprodukt der Kohlenstofffixierungsreaktionen recycelt, in der metabolischen Flexibilität in einer sich dynamisch verändernden Lichtumgebung. Dazu verwendeten wir die Mutanten hpr1 und ggt1 mit teilweise blockiertem PR Flux. Unsere Daten widerlegen, im Gegensatz zu früheren Berichten, eine allgemein größere physiologische Bedeutung von PR unter dynamischen Lichtbedingungen. Die beiden Mutanten zeigten ausgeprägte und distinkte metabolische Veränderungen während der Akklimatisierung an eine Bedingung mit höherer photosynthetischer Aktivität. Dies zeigt, dass PR nicht ausschließlich als zyklischer Entgiftungsweg für 2PG angesehen werden kann. Vielmehr ist PR tief in den pflanzlichen Stoffwechsel eingebettet, wobei GGT1 und HPR1 als distinkte Stellschrauben des Downstream-Metabolismus agieren. Zusammenfassend liefert die vorliegende Arbeit weitere Erkenntnisse darüber, wie die energetische und metabolische Flexibilität durch kurzfristige Regulatoren und den photorespiratorischen Metabolismus während der langfristigen Lichtakklimatisierung gewährleistet wird. KW - photosynthesis KW - fluctuating light KW - Arabidopsis thaliana KW - Photosynthese KW - fluktuierendes Licht Y1 - 2023 ER - TY - JOUR A1 - Kappel, Christian A1 - Friedrich, Thomas A1 - Oberkofler, Vicky A1 - Jiang, Li A1 - Crawford, Tim A1 - Lenhard, Michael A1 - Bäurle, Isabel T1 - Genomic and epigenomic determinants of heat stress-induced transcriptional memory in Arabidopsis JF - Genome biology : biology for the post-genomic era N2 - Background Transcriptional regulation is a key aspect of environmental stress responses. Heat stress induces transcriptional memory, i.e., sustained induction or enhanced re-induction of transcription, that allows plants to respond more efficiently to a recurrent HS. In light of more frequent temperature extremes due to climate change, improving heat tolerance in crop plants is an important breeding goal. However, not all heat stress-inducible genes show transcriptional memory, and it is unclear what distinguishes memory from non-memory genes. To address this issue and understand the genome and epigenome architecture of transcriptional memory after heat stress, we identify the global target genes of two key memory heat shock transcription factors, HSFA2 and HSFA3, using time course ChIP-seq. Results HSFA2 and HSFA3 show near identical binding patterns. In vitro and in vivo binding strength is highly correlated, indicating the importance of DNA sequence elements. In particular, genes with transcriptional memory are strongly enriched for a tripartite heat shock element, and are hallmarked by several features: low expression levels in the absence of heat stress, accessible chromatin environment, and heat stress-induced enrichment of H3K4 trimethylation. These results are confirmed by an orthogonal transcriptomic data set using both de novo clustering and an established definition of memory genes. Conclusions Our findings provide an integrated view of HSF-dependent transcriptional memory and shed light on its sequence and chromatin determinants, enabling the prediction and engineering of genes with transcriptional memory behavior. KW - Transcriptional memory KW - Priming KW - Heat stress KW - HSFA2 KW - HSFA3 KW - Arabidopsis thaliana KW - Histone H3K4 trimethylation KW - ChIP-seq Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1186/s13059-023-02970-5 SN - 1474-760X VL - 24 IS - 1 PB - BioMed Central CY - London 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 - 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 - JOUR A1 - Ralevski, Alexandra A1 - Apelt, Federico A1 - Olas, Justyna Jadwiga A1 - Müller-Röber, Bernd A1 - Rugarli, Elena I. A1 - Kragler, Friedrich A1 - Horvath, Tamas L. T1 - Plant mitochondrial FMT and its mammalian homolog CLUH controls development and behavior in Arabidopsis and locomotion in mice JF - Cellular and molecular life sciences N2 - Mitochondria in animals are associated with development, as well as physiological and pathological behaviors. Several conserved mitochondrial genes exist between plants and higher eukaryotes. Yet, the similarities in mitochondrial function between plant and animal species is poorly understood. Here, we show that FMT (FRIENDLY MITOCHONDRIA) from Arabidopsis thaliana, a highly conserved homolog of the mammalian CLUH (CLUSTERED MITOCHONDRIA) gene family encoding mitochondrial proteins associated with developmental alterations and adult physiological and pathological behaviors, affects whole plant morphology and development under both stressed and normal growth conditions. FMT was found to regulate mitochondrial morphology and dynamics, germination, and flowering time. It also affects leaf expansion growth, salt stress responses and hyponastic behavior, including changes in speed of hyponastic movements. Strikingly, Cluh(+/-) heterozygous knockout mice also displayed altered locomotive movements, traveling for shorter distances and had slower average and maximum speeds in the open field test. These observations indicate that homologous mitochondrial genes may play similar roles and affect homologous functions in both plants and animals. KW - Arabidopsis thaliana KW - Mitochondria KW - FMT KW - Hyponasty KW - Mice KW - CLUH; KW - Locomotion Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s00018-022-04382-3 SN - 1420-682X SN - 1420-9071 VL - 79 IS - 6 PB - Springer International Publishing AG CY - Cham (ZG) ER - TY - THES A1 - Oberkofler, Vicky T1 - Molecular basis of HS memory in Arabidopsis thaliana T1 - Die molekulare Basis des Hitzestress-Gedächtnisses in Arabidopsis thaliana N2 - Plants can be primed to survive the exposure to a severe heat stress (HS) by prior exposure to a mild HS. The information about the priming stimulus is maintained by the plant for several days. This maintenance of acquired thermotolerance, or HS memory, is genetically separable from the acquisition of thermotolerance itself and several specific regulatory factors have been identified in recent years. On the molecular level, HS memory correlates with two types of transcriptional memory, type I and type II, that characterize a partially overlapping subset of HS-inducible genes. Type I transcriptional memory or sustained induction refers to the sustained transcriptional induction above non-stressed expression levels of a gene for a prolonged time period after the end of the stress exposure. Type II transcriptional memory refers to an altered transcriptional response of a gene after repeated exposure to a stress of similar duration and intensity. In particular, enhanced re-induction refers to a transcriptional pattern in which a gene is induced to a significantly higher degree after the second stress exposure than after the first. This thesis describes the functional characterization of a novel positive transcriptional regulator of type I transcriptional memory, the heat shock transcription factor HSFA3, and compares it to HSFA2, a known positive regulator of type I and type II transcriptional memory. It investigates type I transcriptional memory and its dependence on HSFA2 and HSFA3 for the first time on a genome-wide level, and gives insight on the formation of heteromeric HSF complexes in response to HS. This thesis confirms the tight correlation between transcriptional memory and H3K4 hyper-methylation, reported here in a case study that aimed to reduce H3K4 hyper-methylation of the type II transcriptional memory gene APX2 by CRISPR/dCas9-mediated epigenome editing. Finally, this thesis gives insight into the requirements for a heat shock transcription factor to function as a positive regulator of transcriptional memory, both in terms of its expression profile and protein abundance after HS and the contribution of individual functional domains. In summary, this thesis contributes to a more detailed understanding of the molecular processes underlying transcriptional memory and therefore HS memory, in Arabidopsis thaliana. N2 - Pflanzen können darauf vorbereitet werden, einen schweren Hitzestress (HS) zu überleben, indem sie zuvor einem leichten HS ausgesetzt werden. Die Information über den Priming-Stimulus wird von der Pflanze mehrere Tage lang aufrechterhalten. Diese Aufrechterhaltung der erworbenen Thermotoleranz, das so genannte HS-Gedächtnis, ist genetisch vom Erwerb der Thermotoleranz selbst trennbar, und in den letzten Jahren wurden mehrere spezifische Regulierungsfaktoren identifiziert. Auf molekularer Ebene korreliert das HS-Gedächtnis mit zwei Arten von Transkriptionsgedächtnis, Typ I und Typ II, die eine sich teilweise überschneidende Untergruppe von HS-induzierbaren Genen charakterisieren. Das Transkriptionsgedächtnis vom Typ I oder die anhaltende Induktion bezieht sich auf die anhaltende Transkriptionsinduktion eines Gens über das Niveau der Expression im ungestressten Zustand hinaus über einen längeren Zeitraum nach dem Ende der Stressbelastung. Das Transkriptionsgedächtnis des Typs II bezieht sich auf eine veränderte Transkriptionsreaktion eines Gens nach wiederholter Exposition gegenüber einem Hitzestress von ähnlicher Dauer und Intensität. Insbesondere bezieht sich dabei die verstärkte Re-Induktion auf ein Transkriptionsmuster, bei dem ein Gen nach der zweiten Stressexposition in deutlich höherem Maße induziert wird als nach der ersten. Diese Arbeit beschreibt die funktionelle Charakterisierung eines neuartigen positiven Transkriptionsregulators des Typ-I-Transkriptionsgedächtnisses, des Hitzeschock-Transkriptionsfaktors HSFA3, und vergleicht ihn mit HSFA2, einem bekannten positiven Regulator des Typ-I- und Typ-II-Transkriptionsgedächtnisses. Die Arbeit untersucht das Typ-I-Transkriptionsgedächtnis und seine Abhängigkeit von HSFA2 und HSFA3 zum ersten Mal auf genomweiter Ebene und gibt Einblick in die Bildung heteromerer HSF-Komplexe als Reaktion auf HS. Diese Arbeit bestätigt den engen Zusammenhang zwischen transkriptionellem Gedächtnis und H3K4-Hypermethylierung, über den hier in einer Fallstudie berichtet wird, die darauf abzielt, die H3K4-Hypermethylierung des Typ-II-Transkriptionsgedächtnisgens APX2 durch CRISPR/dCas9-vermitteltes Epigenom-Editing zu reduzieren. Schließlich gibt diese Arbeit einen Einblick in die Anforderungen, die ein Hitzeschock-Transkriptionsfaktor erfüllen muss, damit er als positiver Regulator des Transkriptionsgedächtnisses fungieren kann, und zwar sowohl in Bezug auf sein Expressionsprofil und seine Proteinabundanz nach HS als auch in Bezug auf den Beitrag seiner einzelnen funktionellen Domänen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zu einem genaueren Verständnis der molekularen Prozesse bei, die dem Transkriptionsgedächtnis und damit dem HS-Gedächtnis in Arabidopsis thaliana zugrunde liegen. KW - Arabidopsis thaliana KW - abiotic stress KW - heat stress memory KW - transcription factors KW - HSF KW - epigenome editing KW - histone methylation KW - H3K4me KW - Arabidopsis thaliana KW - H3K4me KW - Hitzeschock-Transkriptionsfaktor KW - abiotischer Stress KW - Epigenom Editierung KW - Hitzestress-Gedächtnis KW - Histon Methylierung KW - Transkriptionsfaktoren Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569544 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 - Matz, Timon W. A1 - Wang, Yang A1 - Kulshreshtha, Ritika A1 - Sampathkumar, Arun A1 - Nikoloski, Zoran T1 - Topological properties accurately predict cell division events and organization of shoot apical meristem in Arabidopsis thaliana JF - Development : Company of Biologists N2 - Cell division and the resulting changes to the cell organization affect the shape and functionality of all tissues. Thus, understanding the determinants of the tissue-wide changes imposed by cell division is a key question in developmental biology. Here, we use a network representation of live cell imaging data from shoot apical meristems (SAMs) in Arabidopsis thaliana to predict cell division events and their consequences at the tissue level. We show that a support vector machine classifier based on the SAM network properties is predictive of cell division events, with test accuracy of 76%, which matches that based on cell size alone. Furthermore, we demonstrate that the combination of topological and biological properties, including cell size, perimeter, distance and shared cell wall between cells, can further boost the prediction accuracy of resulting changes in topology triggered by cell division. Using our classifiers, we demonstrate the importance of microtubule-mediated cell-to-cell growth coordination in influencing tissue-level topology. Together, the results from our network-based analysis demonstrate a feedback mechanism between tissue topology and cell division in A. thaliana SAMs. KW - Arabidopsis thaliana KW - cell division KW - classification models KW - networks KW - shoot apical meristem KW - topology Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1242/dev.201024 SN - 0950-1991 SN - 1477-9129 VL - 149 IS - 16 PB - Company of Biologists CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Sedaghatmehr, Mastoureh A1 - Stüwe, Benno A1 - Müller-Röber, Bernd A1 - Balazadeh, Salma T1 - Heat shock factor HSFA2 fine-tunes resetting of thermomemory via plastidic metalloprotease FtsH6 JF - Journal of experimental botany N2 - The transcription factor HSFA2 fine-tunes a balance between prolongation and resetting of thermomemory in Arabidopsis via the regulation of both memory-supporting and memory-resetting genes. Plants 'memorize' stressful events and protect themselves from future, often more severe, stresses. To maximize growth after stress, plants 'reset' or 'forget' memories of stressful situations, which requires an intricate balance between stress memory formation and the degree of forgetfulness. HEAT SHOCK PROTEIN 21 (HSP21) encodes a small heat shock protein in plastids of Arabidopsis thaliana. HSP21 functions as a key component of thermomemory, which requires a sustained elevated level of HSP21 during recovery from heat stress. A heat-induced metalloprotease, filamentation temperature-sensitive H6 (FtsH6), degrades HSP21 to its pre-stress abundance, thereby resetting memory during the recovery phase. The transcription factor heat shock factor A2 (HSFA2) activates downstream genes essential for mounting thermomemory, acting as a positive regulator in the process. Here, using a yeast one-hybrid screen, we identify HSFA2 as an upstream transactivator of the resetting element FtsH6. Constitutive and inducible overexpression of HSFA2 increases expression of FtsH6, whereas it is drastically reduced in the hsfa2 knockout mutant. Chromatin immunoprecipitation reveals in planta binding of HSFA2 to the FtsH6 promoter. Importantly, overexpression of HSFA2 improves thermomemory more profoundly in ftsh6 than wild-type plants. Thus, by activating both memory-supporting and memory-resetting genes, HSFA2 acts as a cellular homeostasis factor during thermomemory. KW - Arabidopsis thaliana KW - FtsH6 KW - heat stress KW - HSFA2 KW - HSP21 KW - thermomemory; KW - thermorecovery Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1093/jxb/erac257 SN - 0022-0957 SN - 1460-2431 VL - 73 IS - 18 SP - 6394 EP - 6404 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford 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 - JOUR A1 - Merida, Angel A1 - Fettke, Jörg T1 - Starch granule initiation in Arabidopsis thaliana chloroplasts JF - The plant journal N2 - The initiation of starch granule formation and the mechanism controlling the number of granules per plastid have been some of the most elusive aspects of starch metabolism. This review covers the advances made in the study of these processes. The analyses presented herein depict a scenario in which starch synthase isoform 4 (SS4) provides the elongating activity necessary for the initiation of starch granule formation. However, this protein does not act alone; other polypeptides are required for the initiation of an appropriate number of starch granules per chloroplast. The functions of this group of polypeptides include providing suitable substrates (maltooligosaccharides) to SS4, the localization of the starch initiation machinery to the thylakoid membranes, and facilitating the correct folding of SS4. The number of starch granules per chloroplast is tightly regulated and depends on the developmental stage of the leaves and their metabolic status. Plastidial phosphorylase (PHS1) and other enzymes play an essential role in this process since they are necessary for the synthesis of the substrates used by the initiation machinery. The mechanism of starch granule formation initiation in Arabidopsis seems to be generalizable to other plants and also to the synthesis of long-term storage starch. The latter, however, shows specific features due to the presence of more isoforms, the absence of constantly recurring starch synthesis and degradation, and the metabolic characteristics of the storage sink organs. KW - starch granules KW - starch metabolism KW - starch granule initiation KW - starch KW - granule number per chloroplast KW - starch morphology KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.15359 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 107 IS - 3 SP - 688 EP - 697 PB - Wiley CY - Hoboken 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 - TY - JOUR A1 - Liu, Qingting A1 - Li, Xiaoping A1 - Fettke, Jörg T1 - Starch granules in Arabidopsis thaliana mesophyll and guard cells show similar morphology but differences in size and number JF - International journal of molecular sciences N2 - Transitory starch granules result from complex carbon turnover and display specific situations during starch synthesis and degradation. The fundamental mechanisms that specify starch granule characteristics, such as granule size, morphology, and the number per chloroplast, are largely unknown. However, transitory starch is found in the various cells of the leaves of Arabidopsis thaliana, but comparative analyses are lacking. Here, we adopted a fast method of laser confocal scanning microscopy to analyze the starch granules in a series of Arabidopsis mutants with altered starch metabolism. This allowed us to separately analyze the starch particles in the mesophyll and in guard cells. In all mutants, the guard cells were always found to contain more but smaller plastidial starch granules than mesophyll cells. The morphological properties of the starch granules, however, were indiscernible or identical in both types of leaf cells. KW - starch granules KW - starch granule number per chloroplast KW - starch morphology KW - mesophyll cell KW - guard cell KW - LCSM KW - Arabidopsis thaliana KW - starch granule initiation KW - starch metabolism Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/ijms22115666 SN - 1422-0067 SN - 1661-6596 VL - 22 IS - 11 PB - Molecular Diversity Preservation International CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Liu, Qingting A1 - Li, Xiaoping A1 - Fettke, Jörg T1 - Starch granules in Arabidopsis thaliana mesophyll and guard cells show similar morphology but differences in size and number T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Transitory starch granules result from complex carbon turnover and display specific situations during starch synthesis and degradation. The fundamental mechanisms that specify starch granule characteristics, such as granule size, morphology, and the number per chloroplast, are largely unknown. However, transitory starch is found in the various cells of the leaves of Arabidopsis thaliana, but comparative analyses are lacking. Here, we adopted a fast method of laser confocal scanning microscopy to analyze the starch granules in a series of Arabidopsis mutants with altered starch metabolism. This allowed us to separately analyze the starch particles in the mesophyll and in guard cells. In all mutants, the guard cells were always found to contain more but smaller plastidial starch granules than mesophyll cells. The morphological properties of the starch granules, however, were indiscernible or identical in both types of leaf cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1143 KW - starch granules KW - starch metabolism KW - starch granule initiation KW - starch granule number per chloroplast KW - starch morphology KW - mesophyll cell KW - guard cell KW - LCSM KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511067 SN - 1866-8372 IS - 1143 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 - 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 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 - 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 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 - 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 -