Kora Vyse

• 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 asThroughout 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.…
• 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 vonWährend 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.…