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In both animal and plant kingdoms, body size is a fundamental but still poorly understood attribute of biological systems. Here we report that the Arabidopsis NAC transcription factor Regulator of Proteasomal Gene Expression' (RPX) controls leaf size by positively modulating proteasome activity. We further show that the cis-element recognized by RPX is evolutionarily conserved between higher plant species. Upon over-expression of RPX, plants exhibit reduced growth, which may be reversed by a low concentration of the pharmacological proteasome inhibitor MG132. These data suggest that the rate of protein turnover during growth is a critical parameter for determining final organ size.
Potassium (K+) is inevitable for plant growth and development. It plays a crucial role in the regulation of enzyme activities, in adjusting the electrical membrane potential and the cellular turgor, in regulating cellular homeostasis and in the stabilization of protein synthesis. Uptake of K+ from the soil and its transport to growing organs is essential for a healthy plant development. Uptake and allocation of K+ are performed by K+ channels and transporters belonging to different protein families. In this review we summarize the knowledge on the versatile physiological roles of plant K+ channels and their behavior under stress conditions in the model plant Arabidopsis thaliana.
The NAC transcription factor ORE1 is a key regulator of senescence in Arabidopsis thaliana. Here, we demonstrate that senescence-induced and cell death-associated BIFUNCTIONAL NUCLEASE1 (BFN1) is a direct downstream target of ORE1, revealing a previously unknown regulatory cascade.Senescence is a highly regulated process that involves the action of a large number of transcription factors. The NAC transcription factor ORE1 (ANAC092) has recently been shown to play a critical role in positively controlling senescence in Arabidopsis thaliana; however, no direct target gene through which it exerts its molecular function has been identified previously. Here, we report that BIFUNCTIONAL NUCLEASE1 (BFN1), a well-known senescence-enhanced gene, is directly regulated by ORE1. We detected elevated expression of BFN1 already 2 h after induction of ORE1 in estradiol-inducible ORE1 overexpression lines and 6 h after transfection of Arabidopsis mesophyll cell protoplasts with a 35S:ORE1 construct. ORE1 and BFN1 expression patterns largely overlap, as shown by promoterreporter gene (GUS) fusions, while BFN1 expression in senescent leaves and the abscission zones of maturing flower organs was virtually absent in ore1 mutant background. In vitro binding site assays revealed a bipartite ORE1 binding site, similar to that of ORS1, a paralog of ORE1. A bipartite ORE1 binding site was identified in the BFN1 promoter; mutating the cis-element within the context of the full-length BFN1 promoter drastically reduced ORE1-mediated transactivation capacity in transiently transfected Arabidopsis mesophyll cell protoplasts. Furthermore, chromatin immunoprecipitation (ChIP) demonstrates in vivo binding of ORE1 to the BFN1 promoter. We also demonstrate binding of ORE1 in vivo to the promoters of two other senescence-associated genes, namely SAG29/SWEET15 and SINA1, supporting the central role of ORE1 during senescence.
Up to 15% of the genes in different genomes overlap. This architecture, although beneficial for the genome size, represents an obstacle for simultaneous transcription of both genes. Here we analyze the interference between RNA-polymerase II (Pol II) and RNA-polymerase III (Pol III) when transcribing their target genes encoded on opposing strands within the same DNA fragment in Arabidopsis thaliana. The expression of a Pol II-dependent protein-coding gene negatively correlated with the transcription of a Pol III-dependent, tRNA-coding gene set. We suggest that the architecture of the overlapping genes introduces an additional layer of control of gene expression. (C) 2013 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.
Haberlea rhodopensis is a resurrection species with extreme resistance to drought stress and desiccation but also with ability to withstand low temperatures and freezing stress. In order to identify biochemical strategies which contribute to Haberlea's remarkable stress tolerance, the metabolic reconfiguration of H. rhodopensis during low temperature (4 degrees C) and subsequent return to optimal temperatures (21 degrees C) was investigated and compared with that of the stress tolerant Thellungiella halophyla and the stress sensitive Arabidopsis thaliana. Metabolic analysis by GC-MS revealed intrinsic differences in the metabolite levels of the three species even at 21 degrees C. H. rhodopensis had significantly more raffinose, melibiose, trehalose, rhamnose, myo-inositol, sorbitol, galactinol, erythronate, threonate, 2-oxoglutarate, citrate, and glycerol than the other two species. A. thaliana had the highest levels of putrescine and fumarate, while T halophila had much higher levels of several amino acids, including alanine, asparagine, beta-alanine, histidine, isoleucine, phenylalanine, serine, threonine, and valine. In addition, the three species responded differently to the low temperature treatment and the subsequent recovery, especially with regard to the sugar metabolism. Chilling induced accumulation of maltose in H. rhodopensis and raffinose in A. thaliana but the raffinose levels in low temperature exposed Arabidopsis were still much lower than these in unstressed Haberlea. While all species accumulated sucrose during chilling, that accumulation was transient in H. rhodopensis and A. thaliana but sustained in T halophila after the return to optimal temperature. Thus, Haberlea's metabolome appeared primed for chilling stress but the low temperature acclimation induced additional stress-protective mechanisms. A diverse array of sugars, organic acids, and polyols constitute Haberlea's main metabolic defence mechanisms against chilling, while accumulation of amino acids and amino acid derivatives contribute to the low temperature acclimation in Arabidopsis and Thellungiella. Collectively, these results show inherent differences in the metabolomes under the ambient temperature and the strategies to respond to low temperature in the three species.
Für alle Organismen ist die Aufrechterhaltung ihres energetischen Gleichgewichts unter fluktuierenden Umweltbedingungen lebensnotwendig. In Eukaryoten steuern evolutionär konservierte Proteinkinasen, die in Pflanzen als SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1) bezeichnet werden, die Adaption an Stresssignale aus der Umwelt und an die Limitierung von Nährstoffen und zellulärer Energie. Die Aktivierung von SnRK1 bedingt eine umfangreiche transkriptionelle Umprogrammierung, die allgemein zu einer Repression energiekonsumierender Prozesse wie beispielsweise Zellteilung und Proteinbiosynthese und zu einer Induktion energieerzeugender, katabolischer Stoffwechselwege führt. Wie unterschiedliche Signale zu einer generellen sowie teilweise gewebe- und stressspezifischen SnRK1-vermittelten Antwort führen ist bisher noch nicht ausreichend geklärt, auch weil bislang nur wenige Komponenten der SnRK1-Signaltransduktion identifiziert wurden. In dieser Arbeit konnte ein Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk um die SnRK1αUntereinheiten aus Arabidopsis AKIN10/AKIN11 etabliert werden. Dadurch wurden zunächst Mitglieder der pflanzenspezifischen DUF581-Proteinfamilie als Interaktionspartner der SnRK1α-Untereinheiten identifiziert. Diese Proteine sind über ihre konservierte DUF581Domäne, in der ein Zinkfinger-Motiv lokalisiert ist, fähig mit AKIN10/AKIN11 zu interagieren. In planta Ko-Expressionsanalysen zeigten, dass die DUF581-Proteine eine Verschiebung der nucleo-cytoplasmatischen Lokalisierung von AKIN10 hin zu einer nahezu ausschließlichen zellkernspezifischen Lokalisierung begünstigen sowie die Ko-Lokalisierung von AKIN10 und DUF581-Proteinen im Nucleus. In Bimolekularen Fluoreszenzkomplementations-Analysen konnte die zellkernspezifische Interaktion von DUF581-Proteinen mit SnRK1α-Untereinheiten in planta bestätigt werden. Außerhalb der DUF581-Domäne weisen die Proteine einander keine große Sequenzähnlichkeit auf. Aufgrund ihrer Fähigkeit mit SnRK1 zu interagieren, dem Fehlen von SnRK1Phosphorylierungsmotiven sowie ihrer untereinander sehr variabler gewebs-, entwicklungs- und stimulusspezifischer Expression wurde für DUF581-Proteine eine Funktion als Adaptoren postuliert, die unter bestimmten physiologischen Bedingungen spezifische Substratproteine in den SnRK1-Komplex rekrutieren. Auf diese Weise könnten DUF581Proteine die Interaktion von SnRK1 mit deren Zielproteinen modifizieren und eine Feinjustierung der SnRK1-Signalweiterleitung ermöglichen. Durch weiterführende Interaktionsstudien konnten DUF581-interagierende Proteine darunter Transkriptionsfaktoren, Proteinkinasen sowie regulatorische Proteine gefunden werden, die teilweise ebenfalls Wechselwirkungen mit SnRK1α-Untereinheiten aufzeigten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eines dieser Proteine für das eine Beteiligung an der SnRK1Signalweiterleitung als Transkriptionsregulator vermutet wurde näher charakterisiert. STKR1 (STOREKEEPER RELATED 1), ein spezifischer Interaktionspartner von DUF581-18, gehört zu einer pflanzenspezifischen Leucin-Zipper-Transkriptionsfaktorfamilie und interagiert in Hefe sowie in planta mit SnRK1. Die zellkernspezifische Interaktion von STKR1 und AKIN10 in Pflanzen unterstützt die Vermutung der kooperativen Regulation von Zielgenen. Weiterhin stabilisierte die Anwesenheit von AKIN10 die Proteingehalte von STKR1, das wahrscheinlich über das 26S Proteasom abgebaut wird. Da es sich bei STKR1 um ein Phosphoprotein mit SnRK1-Phosphorylierungsmotiv handelt, stellt es sehr wahrscheinlich ein SnRK1-Substrat dar. Allerdings konnte eine SnRK1-vermittelte Phosphorylierung von STKR1 in dieser Arbeit nicht gezeigt werden. Der Verlust von einer Phosphorylierungsstelle beeinflusste die Homo- und Heterodimerisierungsfähigkeit von STKR1 in Hefeinteraktionsstudien, wodurch eine erhöhte Spezifität der Zielgenregulation ermöglicht werden könnte. Außerdem wurden Arabidopsis-Pflanzen mit einer veränderten STKR1-Expression phänotypisch, physiologisch und molekularbiologisch charakterisiert. Während der Verlust der STKR1-Expression zu Pflanzen führte, die sich kaum von Wildtyp-Pflanzen unterschieden, bedingte die konstitutive Überexpression von STKR1 ein stark vermindertes Pflanzenwachstum sowie Entwicklungsverzögerungen hinsichtlich der Blühinduktion und Seneszenz ähnlich wie sie auch bei SnRK1α-Überexpression beschrieben wurden. Pflanzen dieser Linien waren nicht in der Lage Anthocyane zu akkumulieren und enthielten geringere Gehalte an Chlorophyll und Carotinoiden. Neben einem erhöhten nächtlichen Stärkeumsatz waren die Pflanzen durch geringere Saccharosegehalte im Vergleich zum Wildtyp gekennzeichnet. Eine Transkriptomanalyse ergab, dass in den STKR1-überexprimierenden Pflanzen unter Energiemangelbedingungen, hervorgerufen durch eine verlängerte Dunkelphase, eine größere Anzahl an Genen im Vergleich zum Wildtyp differentiell reguliert war als während der Lichtphase. Dies spricht für eine Beteiligung von STKR1 an Prozessen, die während der verlängerten Dunkelphase aktiv sind. Ein solcher ist beispielsweise die SnRK1-Signaltransduktion, die unter energetischem Stress aktiviert wird. Die STKR1Überexpression führte zudem zu einer verstärkten transkriptionellen Induktion von Abwehrassoziierten Genen sowie NAC- und WRKY-Transkriptionsfaktoren nach verlängerter Dunkelphase. Die Transkriptomdaten deuteten auf eine stimulusunabhängige Induktion von Abwehrprozessen hin und konnten eine Erklärung für die phänotypischen und physiologischen Auffälligkeiten der STKR1-Überexprimierer liefern.
The GABI Primary Database, GabiPD (http:// www.gabipd.org/), was established in the frame of the German initiative for Genome Analysis of the Plant Biological System (GABI). The goal of GabiPD is to collect, integrate, analyze and visualize primary information from GABI projects. GabiPD constitutes a repository and analysis platform for a wide array of heterogeneous data from high-throughput experiments in several plant species. Data from different ‘omics’ fronts are incorporated (i.e. genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics), originating from 14 different model or crop species. We have developed the concept of GreenCards for textbased retrieval of all data types in GabiPD (e.g. clones, genes, mutant lines). All data types point to a central Gene GreenCard, where gene information is integrated from genome projects or NCBI UniGene sets. The centralized Gene GreenCard allows visualizing ESTs aligned to annotated transcripts as well as displaying identified protein domains and gene structure. Moreover, GabiPD makes available interactive genetic maps from potato and barley, and protein 2DE gels from Arabidopsis thaliana and Brassica napus. Gene expression and metabolic-profiling data can be visualized through MapManWeb. By the integration of complex data in a framework of existing knowledge, GabiPD provides new insights and allows for new interpretations of the data.
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.
Pectic polysaccharides, a class of plant cell wall polymers, form one of the most complex networks known in nature. Despite their complex structure and their importance in plant biology, little is known about the molecular mechanism of their biosynthesis, modification, and turnover, particularly their structure-function relationship. One way to gain insight into pectin metabolism is the identification of mutants with an altered pectin structure. Those were obtained by a recently developed pectinase-based genetic screen. Arabidopsis thaliana seedlings grown in liquid medium containing pectinase solutions exhibited particular phenotypes: they were dwarfed and slightly chlorotic. However, when genetically different A. thaliana seed populations (random T-DNA insertional populations as well as EMS-mutagenized populations and natural variations) were subjected to this treatment, individuals were identified that exhibit a different visible phenotype compared to wild type or other ecotypes and may thus contain a different pectin structure (pec-mutants). After confirming that the altered phenotype occurs only when the pectinase is present, the EMS mutants were subjected to a detailed cell wall analysis with particular emphasis on pectins. This suite of mutants identified in this study is a valuable resource for further analysis on how the pectin network is regulated, synthesized and modified. Flanking sequences of some of the T-DNA lines have pointed toward several interesting genes, one of which is PEC100. This gene encodes a putative sugar transporter gene, which, based on our data, is implicated in rhamnogalacturonan-I synthesis. The subcellular localization of PEC100 was studied by GFP fusion and this protein was found to be localized to the Golgi apparatus, the organelle where pectin biosynthesis occurs. Arabidopsis ecotype C24 was identified as a susceptible one when grown with pectinases in liquid culture and had a different oligogalacturonide mass profile when compared to ecotype Col-0. Pectic oligosaccharides have been postulated to be signal molecules involved in plant pathogen defense mechanisms. Indeed, C24 showed elevated accumulation of reactive oxygen species upon pectinase elicitation and had altered response to the pathogen Alternaria brassicicola in comparison to Col-0. Using a recombinant inbred line population three major QTLs were identified to be responsible for the susceptibility of C24 to pectinases. In a reverse genetic approach members of the qua2 (putative pectin methyltransferase) family were tested for potential target genes that affect pectin methyl-esterification. The list of these genes was determined by in silico study of the pattern of expression and co-expression of all 34 members of this family resulting in 6 candidate genes. For only for one of the 6 analyzed genes a difference in the oligogalacturonide mass profile was observed in the corresponding knock-out lines, confirming the hypothesis that the methyl-esterification pattern of pectin is fine tuned by members of this gene family. This study of pectic polysaccharides through forward and reverse genetic screens gave new insight into how pectin structure is regulated and modified, and how these modifications could influence pectin mediated signalling and pathogenicity.
Diese Arbeit umfasst die Archivierung, Visualisierung anhand bioinformatischer Methoden und Interpretation eines vorhandenen Messdatensatz (Element [ICP-MS]-, Ionen [IC]- und Metabolitdaten [RP-HPLC und GC/TOF-MS]) der Pflanze Arabidopsis thaliana getrennt in Blätter und Wurzeln. Die Pflanzen wurden den sechs Mangelsituationen der Nährstoffe Eisen, Kalium, Magnesium, Stickstoff, Phosphor und Schwefel ausgesetzt und zu neun Messzeitpunkten [0.5-, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-in Tagen und „resupply“ (vier Stunden nach dem vierten Tag)] analysiert. Es erfolgte die Integration der Messdaten in eine SQlite-Datenbank. Die Veranschaulichung erfolgte mit Hilfe der Programmiersprache R. Anhand einiger Pakete zur Erweiterung des Funktionsumfangs von R wurde erstens eine Schnittstelle zur SQLite- Datenbank hergestellt, was ein Abfragen an diese ermöglichte und zweitens verhalfen sie zu der Erstellung einer Reihe zusätzlicher Darstellungsformen (Heatmap, Wireframe, PCA). Selbstgeschriebene Skripte erlaubten den Datenzugriff und die grafische Ausgabe als z. B. Heatmaps. In der Entstehung dieser Arbeit sind weiterhin zwei weitere Visualisierungsformen von PCA-Daten entwickelt worden: Das Abstandsdiagramm und die animierte PCA. Beides sind hilfreiche Werkzeuge zur Interpretation von PCA-Plots eines zeitlichen Verlaufes. Anhand der Darstellungen der Element- und Ionendaten ließen sich die Nährstoffmangelsituationen durch Abnahme der entsprechenden Totalelemente und Ionen nachweisen. Weiterhin sind starke Ähnlichkeiten der durch RP-HPLC bestimmten Metaboliten unter Eisen-, Kalium und Magnesiummangel erkannt worden. Allerdings gibt es nur eine geringe Anzahl an Interkationen der Metabolitgehalte, da der Großteil der Metabolitlevel im Vergleich zur Kontrolle unverändert blieb. Der Literaturvergleich mit zwei Publikationen, die den Phosphat- und Schwefelmangel in Arabidopsis thaliana untersuchten, zeigte ein durchwachsenes Ergebnis. Einerseits gab es eine gleiche Tendenz der verglichenen Aminosäuren zu verzeichen, aber andererseits wiesen die Visualisierungen auch Gegensätzlichkeiten auf. Der Vergleich der mit RP-HPLC und GC/TOF-MS gemessenen Metaboliten erbrachte ein sehr kontroverses Ergebnis. Zum einen wurden Übereinstimmungen der gleichen Metaboliten durch gemeinsame Cluster in den Heatmaps beobachtet, zum anderen auch Widersprüche, exemplarisch in den Abstandsdiagrammen der Blätterdaten jedes Verfahrens, in welchen unterschiedliche Abstandshöhepunkte erkennbar sind.