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Molecular and physiological characterisation of selected DOF transcription factors in the model plant Arabidopsis thaliana

Molekulare und physiologische Charakterisierung ausgewählter DOF Transkriptionsfaktoren in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana

  • About 2,000 of the more than 27,000 genes of the genetic model plant Arabidopsis thaliana encode for transcription factors (TFs), proteins that bind DNA in the promoter region of their target genes and thus act as transcriptional activators and repressors. Since TFs play essential roles in nearly all biological processes, they are of great scientific and biotechnological interest. This thesis concentrated on the functional characterisation of four selected members of the Arabidopsis DOF-family, namely DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2, which were selected because of their specific expression pattern in the root tip, a region that comprises the stem cell niche and cells for the perception of environmental stimuli. DOF1.2, DOF3.1 and DOF3.5 are previously uncharacterized members of the Arabidopsis DOF-family, while DOF5.2 has been shown to be involved in the phototrophic flowering response. However, its role in root development has not been described so far. To identify biological processes regulated by the four DOF proteins in detail,About 2,000 of the more than 27,000 genes of the genetic model plant Arabidopsis thaliana encode for transcription factors (TFs), proteins that bind DNA in the promoter region of their target genes and thus act as transcriptional activators and repressors. Since TFs play essential roles in nearly all biological processes, they are of great scientific and biotechnological interest. This thesis concentrated on the functional characterisation of four selected members of the Arabidopsis DOF-family, namely DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2, which were selected because of their specific expression pattern in the root tip, a region that comprises the stem cell niche and cells for the perception of environmental stimuli. DOF1.2, DOF3.1 and DOF3.5 are previously uncharacterized members of the Arabidopsis DOF-family, while DOF5.2 has been shown to be involved in the phototrophic flowering response. However, its role in root development has not been described so far. To identify biological processes regulated by the four DOF proteins in detail, molecular and physiological characterization of transgenic plants with modified levels of DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2 expression (constitutive and inducible over-expression, artificial microRNA) was performed. Additionally expression patterns of the TFs and their target genes were analyzed using promoter-GUS lines and publicly available microarray data. Finally putative protein-protein interaction partners and upstream regulating TFs were identified using the yeast two-hybrid and one-hybrid system. This combinatorial approach revealed distinct biological functions of DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2 in the context of root development. DOF1.2 and DOF3.5 are specifically and exclusively expressed in the root cap, including the central root cap (columella) and the lateral root cap, organs which are essential to direct oriented root growth. It could be demonstrated that both genes work in the plant hormone auxin signaling pathway and have an impact on distal cell differentiation. Altered levels of gene expression lead to changes in auxin distribution, abnormal cell division patterns and altered root growth orientation. DOF3.1 and DOF5.2 share a specific expression pattern in the organizing centre of the root stem cell niche, called the quiescent centre. Both genes redundantly control cell differentiation in the root´s proximal meristem and unravel a novel transcriptional regulation pathway for genes enriched in the QC cells. Furthermore this work revealed a novel bipartite nuclear localisation signal being present in the protein sequence of the DOF TF family from all sequenced plant species. Summing up, this work provides an important input into our knowledge about the role of DOF TFs during root development. Future work will concentrate on revealing the exact regulatory networks of DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2 and their possible biotechnological applications.show moreshow less
  • Mehr noch als Tiere, die ihren Lebensraum unter widrigen Umständen verlassen können, sind Pflanzen mit einem festen Standort auf ihre Anpassungsfähigkeit angewiesen. Einen entscheidenden Beitrag dazu leistet die Genregulation, d.h. das gezielte An- und Ausschalten von Erbanlagen, den Genen. Vermittelt wird dieser Regulationsprozess unter anderem durch Transkriptionsfaktoren: Proteine, die die Fähigkeit besitzen, an bestimmte Regionen der Gene zu binden und damit deren Aktivität zu beeinflussen. In der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die als Modellpflanze in der Genetik verwendet wird, existieren etwa 2000 solcher Transkriptionsfaktoren, eingeteilt in Familien, von denen einige auch in tierischen Organismen auftreten, andere pflanzenspezifisch sind. Auf Grund ihrer Funktion als wichtige Kontrollelemente sind sie von großem wissenschaftlichem und biotechnologischem Interesse. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die Funktion von vier pflanzenspezifischen Transkriptionsfaktoren, genannt DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 und DOF5.2,Mehr noch als Tiere, die ihren Lebensraum unter widrigen Umständen verlassen können, sind Pflanzen mit einem festen Standort auf ihre Anpassungsfähigkeit angewiesen. Einen entscheidenden Beitrag dazu leistet die Genregulation, d.h. das gezielte An- und Ausschalten von Erbanlagen, den Genen. Vermittelt wird dieser Regulationsprozess unter anderem durch Transkriptionsfaktoren: Proteine, die die Fähigkeit besitzen, an bestimmte Regionen der Gene zu binden und damit deren Aktivität zu beeinflussen. In der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die als Modellpflanze in der Genetik verwendet wird, existieren etwa 2000 solcher Transkriptionsfaktoren, eingeteilt in Familien, von denen einige auch in tierischen Organismen auftreten, andere pflanzenspezifisch sind. Auf Grund ihrer Funktion als wichtige Kontrollelemente sind sie von großem wissenschaftlichem und biotechnologischem Interesse. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die Funktion von vier pflanzenspezifischen Transkriptionsfaktoren, genannt DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 und DOF5.2, untersucht werden, welche durch ihre spezifische Aktivität in der Wurzelspitze der Ackerschmalwand identifiziert wurden. Um die Funktion dieser vier Regulatoren aufzuklären, wurden an der Modellpflanze gentechnische Veränderungen durchgeführt und die so veränderten, auch als transgen bezeichneten Pflanzen mit molekularbiologischen und physiologischen Methoden untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass DOF1.2 und DOF3.5 eine wesentliche Funktion beim gerichteten Wurzelwachstum spielen und ein seitliches Wachsen der Wurzel aufgrund veränderter Umwelteinflüsse verhindern, bzw. hervorrufen können. Die beiden anderen Proteine DOF3.1 und DOF5.2 erfüllen ihre Funktion in der Stammzellnische der Wurzel. Vergleichbar mit tierischen Stammzellen sind auch pflanzliche Stammzellen nicht zu einem bestimmten Zelltyp herangereift, sondern verbleiben in einem sogenannten undifferenzierten Zustand. Es konnte gezeigt werden, dass DOF3.1 und DOF5.2 zum Erhalt dieses Zustands benötigt werden, da nach Inaktivierung beider Proteine Zellspezialisierungen auftreten, die bei gentechnisch unveränderten Pflanzen nicht auftreten. Desweiteren konnte in dieser Arbeit geklärt werden, welcher Proteinabschnitt der DOF-Proteine für ihren Transport in den Zellkern notwendig ist. Denn da die pflanzlichen Erbanlagen im Zellkern vorliegen, muss für eine Einflussnahme auf deren Aktivität zunächst ein Transport der Regulationsproteine in den Zellkern stattfinden. Zusammengenommen konnte mit dieser Doktorarbeit das Wissen über Transkriptionsfaktoren und Entwicklungsprozesse der Wurzel erheblich erweitert werden. Zudem ist die Grundlage für interessante zukünftige Arbeiten gelegt worden. Dabei wird es von zentraler Bedeutung sein, komplexe Regulationsnetzwerke verstehen zu lernen und durch gezielte Manipulationen biotechnologisch nutzen zu können.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jonas Krebs
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-41831
Advisor:Bernd Müller-Röber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2010/03/01
Release Date:2010/04/01
Tag:Arabidopsis thaliana; Columella; DOF Transkriptionsfaktoren; Ruhezentrum; Wurzel
Arabidopsis thaliana; DOF transcription factors; columella; quiescent center; root
RVK - Regensburg Classification:WN 5400
RVK - Regensburg Classification:WG 1940
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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