Catalina Moreno Curtidor

• 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 bigThe 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.…
• 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,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.…