Dokument: Vergleichende Genexpressionsanalyse als Reaktion auf abiotische Stressfaktoren in Arabidopsis thaliana

Titel:	Vergleichende Genexpressionsanalyse als Reaktion auf abiotische Stressfaktoren in Arabidopsis thaliana
Weiterer Titel:	Comparative Gene Expression Profiling of Abiotic Stress Responses in Arabidopsis thaliana
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=27706
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20131125-095411-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Yeroslaviz, Assa [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 22,17 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.11.2013 / geändert 19.11.2013
Beitragende:	Prof. Dr. Martin, William [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Dagan, Tal [Betreuer/Doktorvater]
Stichwörter:	abiotischer-Stress, Arabidopsis thliana, ATH, microarrays
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Pflanzen als sessile Organismen können extremen Umweltbedingungen wie dem Sonnenlicht, Trockenheit, oder Kälte nicht entgehen. Aus diesem Grund haben sie im Verlauf der Evolution unterschiedliche Mechanismen entwickelt, um solche Stressfaktoren zu kompensieren. Im Verlauf der letzten Jahrzehnte und trotz aufwendiger Analysen konnte noch nicht entscheidend festgelegt werden, ob die Reaktion auf verschiedene umweltbedingte Stressfaktoren allgemein für alle Faktoren oder eher stressspezifisch stattfindet. Die Komplexität der Stressantwort zeigt, dass mehrere Mechanismen aktiviert bzw. reprimiert werden, wenn die Pflanze dem Stress ausgesetzt wird. Die Ähnlichkeiten im Expressionsverhalten (gleiche Signalübertragungswege) können trotz der Differenzen auf der Genebene zum Teil die Schwierigkeiten bei der Lösung dieses Problems erklären. Die Frage der stressspezifischen bzw. allgemeinen Eigenschaften der Stressreaktion auf abiotischen Stress wurde in dieser Arbeit auf der Ebene der Genexpression nachgegangen. Hochdurchsatzmethoden wie die Microarray-Technologie wurden u.a. dafür entwickelt, eine größere Anzahl an Genen unter gleichen Grundbedingungen aber unterschiedlichen Konditionen gleichzeitig analysieren zu können. Obwohl frühere Experimente die Reaktion der Pflanze auf den Stress bereits untersucht haben, stellt diese Arbeit erstmalig ein Kompendium unterschiedlichen Stressfaktoren zur Verfügung, die unter den gleichen Wachstumsbedingungen herangezogen wurden und noch wichtiger, eine ähnliche Stressintensität aufgewiesen haben. Die Pflanzen wurden Hitze, Trockenheit, Kälte, Salz-, chemischem (oxidativem) Stress und UV-Licht ausgesetzt. Nach einer zweiwöchigen Wachstumsperiode wurden die Pflanzen dem Stress ausgesetzt und an unterschiedlichen Zeitpunkten geerntet und verarbeitet. Die gewonnene Gesamt-RNA wurde synthetisiert, in-vitro-transkribiert, hybridisiert und auf die Microarrays aufgetragen. Anschließend wurden die Intensitäten der Arrays in Expressionswerte umgerechnet und die Daten analysiert. Die Datenanalyse sollte Aufschluss über die Reaktion der Pflanzen bei den verschiedenen Stressfaktoren geben. Die Resultate in dieser Arbeit deuten darauf hin, dass es keine eindeutige Aufteilung in stressspezifischer und allgemeiner Antwort gibt. Bei der Analyse auf der Genebene wurden verschiedene Gene identifiziert, deren differentielle Expression einem einzigen Stressfaktor zugeordnet werden konnte, andere dagegen wurden bei mehreren oder gar allen Faktoren dereguliert. Manche dieser Übereinstimmungen haben sogar die entgegengesetzte Expressionsrichtung gezeigt. Auf der kategorischen Ebene wurden mehrere Signalkaskaden, metabolische Funktionen sowie biologische Prozesse identifiziert, die bei den verschiedenen Stressfaktoren unterschiedlich reagieren. Während zum Beispiel die Akkumulation der ROS-Elemente bei fast allen Stressfaktoren erhöht wurde, wiesen die metabolischen Prozesse der Phytohormone ein differentielles zum Teil widersprüchliches Verhalten auf. In der Zeitreihenanalyse wurde die Reaktion einzelner Gene sowie vollständiger Signalkaskaden über aufeinander folgenden Zeitintervallen beobachtet. Mit Hilfe dieser Art der Analyse war es möglich, die Frage nach einer früheren bzw. späteren Stressantwort zu beantworten. Zusammen mit der Transkriptionsfaktorbindestellen-Analyse (TFBS) konnte hier gezeigt werden, dass diese Aufteilung zwar existiert, zeigt aber keine eindeutige Trennung für alle Stressfaktoren bzw. Kaskaden. Die TFBS-Analyse konnte zum Beispiel eine deutliche Unterteilung zwischen einer früheren allgemeinen und einer späteren stressspezifischen Akkumulation von Bindestellen und Hitzestress feststellen. Unter Trockenheit dagegen wurde keine solche Unterteilung identifiziert. Die sehr große Anzahl an nicht-annotierten Genen, die in dieser Arbeit dereguliert wurden, kann bei der Lösung dieser Fragestellungen vielleicht weiter hilfreich sein. Dies bedarf aber weiterer Experimente, um sowohl deren Rolle als auch deren Zusammenhänge bzw. Abhängigkeiten zu definieren. Plants as sessile organisms can’t prevent facing extreme environmental conditions such as intense sunlight, drought, or cold. Plants have therefore presumably developed many diverse mechanism to cope with such extreme life conditions. In the last 50 years, a lot of effort was put into solving the question of how plants respond to abiotic stress factors. Though on the phenotypic level similarities could be found, an explanation for the difficulties in understanding the complete metabolome lies in the multiplicity of signalling pathways which react to a single stress and the diversification of gene expression profiles in each of the stress factors. In this thesis the question of stress specificity versus global stress reaction to various stress factors was investigated on the level of gene expressions. High-throughput methods such as the microarrays were designed solely for the purpose of parallel investigation of a great number of genes or proteins (such as a complete genome) under identical conditions. To my knowledge, this work represents the first compendium of stress reactions, under which several abiotic stress conditions with similar phenotypes were analyzed on the basis of similarities in stress intensity. During this analysis the plants were exposed to various stress conditions (heat, drought, UV-light, cold, salt, treatment with paraquat to simulate chemical stress and intense light stress) on variable time periods as well as at different concentrations. After a growth period of two weeks, the plants were harvested at multiple time points. The probes were than processed and the total-RNA was synthesized, in-vitro transcribed and hybridized onto the microarrays. After washing and staining the probes intensities were calculated and converted into expression values. These expression profiles should shed more light on the mechanisms behind plants response to different stress factors and give better clarity whether a strict differentiation exists between a global and a stress-specific reaction to certain stress factors. The results of this work suggest no clear separation into stress-specific and global stress reactions. During the analysis, various genes were identified, whose differential expression depends on specific stress factors. Others have shown a deregulation in response to many or even all stress factors. Some genes show an opposite regulation in different stress responses, being down-regulated in some, and up-regulated in other abiotic factors. At the systems level, several signaling pathways, metabolic functions and biological processes showed differential behaviour during various stress factors. While the accumulation of ROS-elements was an unanimous response to almost all stresses, the metabolic processes of phytohormones displayed a more differential and partially contradictory behavior. In the time-series analysis, the response of individual genes as well as complete signaling pathways over successive time intervals was observed. With the help of this analysis, it was possible to search for the early and late response of plants to stress on a gene- and pathway level. The identification of transcription factor binding sites showed a clear separation of binding sites in early and late periods of reactions to heat stress, while a definite global reaction of binding sites accumulated under drought. Based on our observation, we conclude that no definite time-dependent division of stress responses exits. Instead there is a mixture of stress-specific and global signaling pathways and gene expression profiles. As a next step, I propose to investigate the function of the vast number of non-annotated genes with no known functions that were deregulated in one or more stress factors. This will lead to a better understanding of the intertwined processes induced as a reaction to stress.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Entwicklungs- und Molekularbiologie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	25.11.2013
Dateien geändert am:	25.11.2013
Promotionsantrag am:	22.07.2012
Datum der Promotion:	13.11.2013