Andres Eduardo Rodriguez Cubillos

• Plants are unable to move away from unwanted environments and therefore have to locally adapt to changing conditions. Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), a model organism in plant biology, has been able to rapidly colonize a wide spectrum of environments with different biotic and abiotic challenges. In recent years, natural variation in Arabidopsis has shown to be an excellent resource to study genes underlying adaptive traits and hybridization’s impact on natural diversity. Studies on Arabidopsis hybrids have provided information on the genetic basis of hybrid incompatibilities and heterosis, as well as inheritance patterns in hybrids. However, previous studies have focused mainly on global accessions and yet much remains to be known about variation happening within a local growth habitat. In my PhD, I investigated the impact of heterozygosity at a local collection site of Arabidopsis and its role in local adaptation. I focused on two different projects, both including hybrids among Arabidopsis individuals collected around TübingenPlants are unable to move away from unwanted environments and therefore have to locally adapt to changing conditions. Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), a model organism in plant biology, has been able to rapidly colonize a wide spectrum of environments with different biotic and abiotic challenges. In recent years, natural variation in Arabidopsis has shown to be an excellent resource to study genes underlying adaptive traits and hybridization’s impact on natural diversity. Studies on Arabidopsis hybrids have provided information on the genetic basis of hybrid incompatibilities and heterosis, as well as inheritance patterns in hybrids. However, previous studies have focused mainly on global accessions and yet much remains to be known about variation happening within a local growth habitat. In my PhD, I investigated the impact of heterozygosity at a local collection site of Arabidopsis and its role in local adaptation. I focused on two different projects, both including hybrids among Arabidopsis individuals collected around Tübingen in Southern Germany. The first project sought to understand the impact of hybridization on metabolism and growth within a local Arabidopsis collection site. For this, the inheritance patterns in primary and secondary metabolism, together with rosette size of full diallel crosses among seven parents originating from Southern Germany were analyzed. In comparison to primary metabolites, compounds from secondary metabolism were more variable and showed pronounced non-additive inheritance patterns. In addition, defense metabolites, mainly glucosinolates, displayed the highest degree of variation from the midparent values and were positively correlated with a proxy for plant size. In the second project, the role of ACCELERATED CELL DEATH 6 (ACD6) in the defense response pathway of Arabidopsis necrotic hybrids was further characterized. Allelic interactions of ACD6 have been previously linked to hybrid necrosis, both among global and local Arabidopsis accessions. Hence, I characterized the early metabolic and ionic changes induced by ACD6, together with marker gene expression assays of physiological responses linked to its activation. An upregulation of simple sugars and metabolites linked to non-enzymatic antioxidants and the TCA cycle were detected, together with putrescine and acids linked to abiotic stress responses. Senescence was found to be induced earlier in necrotic hybrids and cytoplasmic calcium signaling was unaffected in response to temperature. In parallel, GFP-tagged constructs of ACD6 were developed. This work therefore gave novel insights on the role of heterozygosity in natural variation and adaptation and expanded our current knowledge on the physiological and molecular responses associated with ACD6 activation.…
• Pflanzen sind sessile Organismen, die nicht in der Lage sind sich unerwünschten Lebensräumen zu entziehen, sodass sie sich an verschiedene Umweltbedingungen anpassen müssen. Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) als Modellorganismus der Pflanzenbiologie war in der Lage eine Vielzahl von Lebensräumen zu kolonisieren und dabei verschiedenen biotischen und abiotischen Problemen zu trotzen. Natürliche Variation in Arabidopsis hat sich in den letzten Jahren als Mittel bewährt, um Gene zu analysieren, welche für adaptive Eigenschaften und natürliche Vielfalt verantwortlich sind. Studien über Arabidopsis-Hybride haben Erkenntnisse über die genetische Basis von Hybridinkompatibilitäten, Heterosis und Vererbungsmustern von Hybriden geliefert. Jedoch haben diese sich bisher lediglich mit globalen ökotyp befasst, sodass noch viele Informationen über Variation in einem lokalen Wachstumsgebiet fehlen. In meiner Doktorarbeit habe ich den Einfluss von Heterozygotie in einer lokalen Arabidopsis-Population und deren Rolle bei der Adaption untersucht.Pflanzen sind sessile Organismen, die nicht in der Lage sind sich unerwünschten Lebensräumen zu entziehen, sodass sie sich an verschiedene Umweltbedingungen anpassen müssen. Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) als Modellorganismus der Pflanzenbiologie war in der Lage eine Vielzahl von Lebensräumen zu kolonisieren und dabei verschiedenen biotischen und abiotischen Problemen zu trotzen. Natürliche Variation in Arabidopsis hat sich in den letzten Jahren als Mittel bewährt, um Gene zu analysieren, welche für adaptive Eigenschaften und natürliche Vielfalt verantwortlich sind. Studien über Arabidopsis-Hybride haben Erkenntnisse über die genetische Basis von Hybridinkompatibilitäten, Heterosis und Vererbungsmustern von Hybriden geliefert. Jedoch haben diese sich bisher lediglich mit globalen ökotyp befasst, sodass noch viele Informationen über Variation in einem lokalen Wachstumsgebiet fehlen. In meiner Doktorarbeit habe ich den Einfluss von Heterozygotie in einer lokalen Arabidopsis-Population und deren Rolle bei der Adaption untersucht. Dabei habe ich mich auf zwei Themen fokussiert. Beide Themen beinhalteten Arabidopsis-Hybride zwischen Individuen, welche in der Region um Tübingen in Deutschland gesammelt wurden. Das erste Projekt zielte darauf ab, den Einfluss der Hybridisierung auf den Metabolismus und das Wachstum der Pflanzen in einer lokalen Arabidopsis-Population zu verstehen. Dafür wurden das Vererbungsmuster von Primär- und Sekundärmetaboliten, sowie die Rosettengröße von diallelen Kreuzungen zwischen sieben Elternpflanzen analysiert. Im Vergleich zum Primärstoffwechsel variierten Sekundärmetabolite stärker und zeigten nicht-additive Vererbungsmuster. Zusätzlich zeigten Abwehrstoffe – hauptsächlich Glukosinolate – die höchste Abweichung vom Mittelwert beider Eltern und waren in positiver Korrelation mit der Größe der Pflanzen. In dem zweiten Projekt wurde die Rolle von ACCELERATED CELL DEATH 6 (ACD6) im Abwehrsignalweg von nekrotischen Arabidopsis-Hybriden detaillierter charakterisiert. Da die genetische Interaktion zwischen ACD6-Allelen von globalen und lokalen Arabidopsis-ökotypen bereits mit Hybridnekrose verknüpft wurde, habe ich frühe Metaboliten-, Ionen- und Expressionsänderungen von Markergenen charakterisiert, welche durch die Aktivierung von ACD6 induziert wurden. Eine Erhöhung von einfachen Zuckern und Metaboliten nicht-enzymatischer Antioxidantien und dem TCA-Zyklus wurde detektiert, sowie von Putrescin und anderen Säuren abiotischer Stressantworten. Es wurde nachgewiesen, dass Seneszenz früher in nekrotischen Hybriden induziert und zytoplasmatisches Calcium-Signaling nicht durch Temperatur beeinflusst wurde. Zusätzlich wurden GFP-markierte Konstrukte von ACD6 generiert. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass diese Arbeit weitere Erkenntnisse über die Rolle von Heterozygotie in natürlicher Variation und Adaptation liefert und sie unser Wissen über die physiologischen und molekularen Veränderungen, verursacht durch die ACD6-Aktivierung, erweitert.…