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Metabolic interactions in leaf development in Arabidopsis thaliana

Metabolische Interaktionen während der Blattentwicklung in Arabidopsis thaliana

  • Plant growth and survival depend on photosynthesis in the leaves. This involves the uptake of carbon dioxide from the atmosphere and the simultaneous capture of light energy to produce organic molecules, which enter metabolism and are converted to many other compounds which then serve as building blocks for biomass growth. Leaves are organs specialised for photosynthetic carbon dioxide fixation. The function of leaves involves many trade-offs which must be optimised in order to achieve effective use of resources and maximum photosynthesis. It is known that the morphology of leaves adjusts to the growth environment of plants and this is important for optimising their function for photosynthesis. However, it is unclear how this adjustment is regulated. The general aim of the work presented in this thesis is to understand how leaf growth and morphology are regulated in the model species Arabidopsis thaliana. Special attention was dedicated to the possibility that there might be internal metabolic signals within the plant which affect thePlant growth and survival depend on photosynthesis in the leaves. This involves the uptake of carbon dioxide from the atmosphere and the simultaneous capture of light energy to produce organic molecules, which enter metabolism and are converted to many other compounds which then serve as building blocks for biomass growth. Leaves are organs specialised for photosynthetic carbon dioxide fixation. The function of leaves involves many trade-offs which must be optimised in order to achieve effective use of resources and maximum photosynthesis. It is known that the morphology of leaves adjusts to the growth environment of plants and this is important for optimising their function for photosynthesis. However, it is unclear how this adjustment is regulated. The general aim of the work presented in this thesis is to understand how leaf growth and morphology are regulated in the model species Arabidopsis thaliana. Special attention was dedicated to the possibility that there might be internal metabolic signals within the plant which affect the growth and development of leaves. In order to investigate this question, leaf growth and development must be considered beyond the level of the single organ and in the context of the whole plant because leaves do not grow autonomously but depend on resources and regulatory influences delivered by the rest of the plant. Due to the complexity of this question, three complementary approaches were taken. In the first and most specific approach it was asked whether a proposed down-stream component of sucrose signalling, trehalose-6-phosphate (Tre-6-P), might influence leaf development and growth. To investigate this question, transgenic Arabidopsis lines with perturbed levels of Tre-6-P were generated using the constitutive 35S promoter to express bacterial enzymes involved in trehalose metabolism. These experiments also led to an unanticipated project concerning a possible role for Tre-6-P in stomatal function, which is another very important function in leaves. In a second and more general approach it was investigated whether changes in sugar levels in plants affect the morphogenesis of leaves in response to light. For this, a series of metabolic mutants impaired in central metabolism were grown in one light environment and their leaf morphology was analysed. In a third and even more general approach the natural variation in leaf and rosette morphological traits was investigated in a panel of wild Arabidopsis accessions with the aim of understanding how leaf morphology affects leaf function and whole plant growth and how different traits relate to each other. The analysis included measurements of leaf morphological traits as well as the number of leaves in the plant to put leaf morphology in a whole plant context. The variance in plant growth could not be explained by variation in photosynthetic rates and only to a small degree by variation in rates of dark respiration. There were four key axes of variation in rosette and leaf morphology – leaf area growth, leaf thickness, cell expansion and leaf number. These four processes were integrated in the context of whole plant growth by models that employed a multiple linear regression approach. This then led to a theoretical approach in which a simple allometric mathematical model was constructed, linking leaf number, leaf size and plant growth rate together in a whole plant context in Arabidopsis.show moreshow less
  • Das Wachstum und Überleben von Pflanzen basiert auf der Photosynthese in den Blättern. Diese beinhaltet die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und das simultane Einfangen von Lichtenergie zur Bildung organischer Moleküle. Diese werden nach dem Eintritt in den Metabolismus in viele andere Komponenten umgewandelt, welche die Grundlage für die Zunahme der Biomasse bilden. Blätter sind Organe, die auf die Fixierung von Kohlenstoffdioxid spezialisiert sind. Die Funktionen der Blätter beinhalten vor allem die Optimierung und Feinregulierung vieler Prozesse, um eine effektive Nutzung von Ressourcen und eine maximale Photosynthese zu gewährleisten. Es ist bekannt, dass sich die Morphologie der Blätter den Wachstumsbedingungen der Pflanze anpasst und eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Photosynthese spielt. Trotzdem ist die Regulation dieser Art der Anpassung bisher nicht verstanden. Die allgemeine Zielsetzung dieser vorliegenden Arbeit ist das Verständnis wie das Wachstum und die Morphologie der Blätter imDas Wachstum und Überleben von Pflanzen basiert auf der Photosynthese in den Blättern. Diese beinhaltet die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und das simultane Einfangen von Lichtenergie zur Bildung organischer Moleküle. Diese werden nach dem Eintritt in den Metabolismus in viele andere Komponenten umgewandelt, welche die Grundlage für die Zunahme der Biomasse bilden. Blätter sind Organe, die auf die Fixierung von Kohlenstoffdioxid spezialisiert sind. Die Funktionen der Blätter beinhalten vor allem die Optimierung und Feinregulierung vieler Prozesse, um eine effektive Nutzung von Ressourcen und eine maximale Photosynthese zu gewährleisten. Es ist bekannt, dass sich die Morphologie der Blätter den Wachstumsbedingungen der Pflanze anpasst und eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Photosynthese spielt. Trotzdem ist die Regulation dieser Art der Anpassung bisher nicht verstanden. Die allgemeine Zielsetzung dieser vorliegenden Arbeit ist das Verständnis wie das Wachstum und die Morphologie der Blätter im Modellorganismus Arabidopsis thaliana reguliert werden. Besondere Aufmerksamkeit wurde hierbei der Möglichkeit geschenkt, dass es interne metabolische Signale in der Pflanze geben könnte, die das Wachstum und die Entwicklung von Blättern beeinflussen. Um diese Fragestellung zu untersuchen, muss das Wachstum und die Entwicklung von Blättern oberhalb des Levels des einzelnen Organs und im Kontext der gesamten Pflanze betrachtet werden, weil Blätter nicht eigenständig wachsen, sondern von Ressourcen und regulatorischen Einflüssen der ganzen Pflanze abhängig sind. Aufgrund der Komplexität dieser Fragestellung wurden drei komplementäre Ansätze durchgeführt. Im ersten und spezifischsten Ansatz wurde untersucht ob eine flussabwärts liegende Komponente des Zucker-Signalwegs, Trehalose-6-Phosphat (Tre-6-P), das Blattwachstum und die Blattentwicklung beinflussen kann. Um diese Frage zu beantworten wurden transgene Arabidopsis-Linien mit einem gestörten Gehalt von Tre-6-P durch die Expression von bakteriellen Proteinen die in dem metabolismus von trehalose beteiligt sind. Die Pflanzen-Linien wurden unter Standard-Bendingungen in Erde angebaut und ihr Metabolismus und ihre Blattmorphologie untersucht. Diese Experimente führten auch zu einem unerwarteten Projekt hinsichtlich einer möglichen Rolle von Tre-6-P in der Regulation der Stomata. In einem zweiten, allgemeineren Ansatz wurde untersucht, ob Änderungen im Zucker-Gehalt der Pflanzen die Morphogenese der Blätter als Antwort auf Licht beeinflussen. Dazu wurden eine Reihe von Mutanten, die im Zentralmetabolismus beeinträchtigt sind, in derselben Lichtbedingung angezogen und bezüglich ihrer Blattmorphologie analysiert. In einem dritten noch allgemeineren Ansatz wurde die natürliche Variation von morphologischen Ausprägungen der Blätter und Rosette anhand von wilden Arabidopsis Ökotypen untersucht, um zu verstehen wie sich die Blattmorphologie auf die Blattfunktion und das gesamte Pflanzenwachstum auswirkt und wie unterschiedliche Eigenschaften miteinander verknüpft sind. Das Verhältnis der Blattanzahl zum Gesamtwachstum der Pflanze und Blattgröße wurde gesondert weiter untersucht durch eine Normalisierung der Blattanzahl auf das Frischgewicht der Rosette, um den Parameter „leafing Intensity“ abzuschätzen. Leafing Intensity integrierte Blattanzahl, Blattgröße und gesamtes Rosettenwachstum in einer Reihe von Kompromiss-Interaktionen, die in einem Wachstumsvorteil resultieren, wenn Pflanzen weniger, aber größere Blätter pro Einheit Biomasse ausbilden. Dies führte zu einem theoretischen Ansatz in dem ein einfaches allometrisch mathematisches Modell konstruiert wurde, um Blattanzahl, Blattgröße und Pflanzenwachstum im Kontext der gesamten Pflanze Arabidopsis zu verknüpfen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexander Ivakov
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-59730
Advisor:Mark Stitt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2012/02/24
Release Date:2012/08/10
Tag:Arabidopsis; Blattmorphologie; Entwicklung; Metabolismus; Ökotypen
Arabidopsis; accessions; leaf; metabolism; morphology
RVK - Regensburg Classification:WN 3300
RVK - Regensburg Classification:WM 1300
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe zu gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland