Dokument: Transcriptional adaptation in response to changing environments in plants with specialized photosynthesis types

Titel:	Transcriptional adaptation in response to changing environments in plants with specialized photosynthesis types
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=39099
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160914-093016-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Brilhaus, Dominik [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 20,84 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.07.2016 / geändert 28.07.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter] Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter]
Stichwörter:	CAM, C4, RNA-Seq, gene expression, drought stress, photosynthesis
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Globally rising temperatures and an exploding world population present enormous challenges for agriculture in the 21st century and the requirement for the development of crop plants to cope with these changing environments. As an adaptation to drought, high temperatures and low CO2 availability, plants have evolved two specialized types of photosynthesis, termed Crassulacean acid metabolism (CAM) and C4 photosynthesis. These complex traits provide increased efficiencies in the usage of water, nitrogen and light and are hence of major relevance for engineering efficient and drought resistant crops. Key to both CAM and C4 is the separation of CO2 prefixation and assimilation managed in two distinct modes, but utilizing a very similar biochemical adaptation. While the physiology, anatomy and biochemistry of both these traits is well studied, there are still gaps in the knowledge of their transcriptional regulation. In response to drought stress, the tropical herbaceous perennial species Talinum triangulare is capable of transitioning, in a facultative, reversible manner, from C3 photosynthesis to weakly expressed CAM. The transcriptional regulation of this transition was studied combining mRNA-Seq with targeted metabolite measurements. We found highly elevated levels of CAM-cycle enzyme transcripts and their metabolic products in T. triangulare leaves upon water deprivation. This large-scale expression dataset of drought-induced CAM demonstrates transcriptional regulation of the C3–CAM transition. In addition, we identified candidate transcription factors to mediate this photosynthetic plasticity, which may contribute in the future to the design of more drought-tolerant crops via engineered CAM (Manuscript I). An organism’s capability to sync the metabolism to changing source availabilities and sink requirements increases productivity and survival. A large proportion of a plant’s metabolism is light/dark-regulated. In addition, the internal circadian clock provides anticipation of the daily and seasonally changing environment. In order to study the specific adaptations of transcriptional control through light and the circadian clock in plants performing highly efficient C4 photosynthesis, we compared the changes in leaf transcriptomes of two closely related Flaveria species employing C4 (F. bidentis) or C3 (F. robusta) photosynthesis. We found largely overlapping diurnal and circadian expression patterns and periodicity between both species and an indication that acquisition of light-regulation of the C4-cycle predates the evolution of C4 in the Flaveriaceae. Furthermore, C4-specifically enhanced light-regulation of many photosynthesis related genes was detected. We identified candidate genes to regulate this enhanced light- response in the C4 plant and discuss possible advantages (Manuscript II). Globale Klimaerwärmung und die stark wachsende Weltbevölkerung präsentieren enorme Herausforderungen für die Agrarwirtschaft des 21. Jahrhunderts und den Bedarf für die Entwicklung von Nutzpflanzen, die imstande sind in diesen sich ändernden Bedingungen zu gedeihen. Als Anpassung an Dürre, hohe Temperaturen und niedrige CO2 Verfügbarkeit haben Pflanzen zwei spezialisierte Arten der Photosynthese entwickelt, genannt Crassulacean acid metabolism (CAM, deutsch: Crassulaceensäurestoffwechsel) und C4 Photosynthese. Pflanzen, die diese komplexen Eigenschaften besitzen, weisen erhöhte Nutzeffizienz von Wasser, Stickstoff und Licht auf und sind daher von besonderer Relevanz für das Erzeugen effizienter, trocken-resistenter Nutzpflanzen. Der Schlüssel zu beiden speziellen Photosynthesearten ist die Isolierung von CO2- Präfixierung und Assimilierung, die auf zweierlei Arten jedoch durch sich ähnelnde biochemische Anpassungen geschieht. Während die Physiologie, Anatomie und Biochemie beider Photosynthesearten umfassend untersucht sind, gibt es noch Lücken in dem Verständnis ihrer transkriptionellen Regulierung. Als Antwort auf Trockenstress ist die krautige, einjährige Spezies Talinum triangulare in der Lage, auf fakultative und reversible Art zwischen C3 Photosynthese und schwachem CAM zu wechseln. Die transkriptionelle Regulierung wurde hier mittels Analyse des Transkriptoms und Messungen von Metaboliten untersucht. Nach Trocken-Induktion stellten wir erhöhte Levels der Transkripte von CAM-Enzymen und derer Produkte in Blättern von T. triangulare fest. In diesem großangelegten Expressionsdatensatz von trocken-induziertem CAM, konnten wir also die transkriptionelle Regulierung des Wechsels zwischen C3 und CAM nachweisen. Des Weiteren haben wir Kandidaten für die Regulierung dieser photosynthetischen Plastizität identifiziert, die in Zukunft helfen könnten, trocken-tolerantere Pflanzen mittels Etablierung von CAM zu entwickeln (Manuskript I). Die Möglichkeit den Stoffwechsel eines Organismus an wechselnde Verfügbarkeit von Ressourcen und dem Bedarf nach deren Nutzung anzupassen erhöht die Produktivität und Überlebensfähigkeit. Ein Großteil des pflanzlichen Stoffwechsels ist durch Licht und Dunkelheit reguliert. Des Weiteren können täglich und saisonal wechselnde Umweltbedingungen mittels innerer biologischer Uhr antizipiert werden. Um die spezifische Anpassung der transkriptionellen Regulierung mittels Licht oder Biorhythmus in Pflanzen mit der hoch- effizienten C4 Photosynthese zu verstehen, haben wir die Blatttranskriptome zwei nahe verwandter Flaveria Spezies untersucht, die C4 (F. bidentis) und C3 Photosynthese (F. robusta) benutzen. Wir fanden sich zwischen den beiden Spezies überwiegend gleichende diurnale und circadiane Expressionsmuster und –phasen und Anzeichen für eine vor der C4 Evolution bestehende Licht-Regulierung des C4-Zykluses in Flaveriaceae. Des Weiteren wurde eine C4- spezifisch verstärkte Licht-Regulation von anderen Photosynthese Genen entdeckt. Wir diskutieren möglichen Vorzüge für diese in C4 Pflanzen verstärkte Licht-Antwort und präsentieren mögliche Kandidaten für dessen Regulierung (Manuskript II).
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	14.09.2016
Dateien geändert am:	14.09.2016
Promotionsantrag am:	17.05.2016
Datum der Promotion:	13.06.2016