Dokument: The transcriptomic Blueprint of C4 Photosynthesis

Titel:	The transcriptomic Blueprint of C4 Photosynthesis
Weiterer Titel:	The transcriptomic Blueprint of C4 Photosynthesis
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=33187
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150122-134016-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Külahoglu, Canan [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 44,57 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.01.2015 / geändert 22.01.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter] Prof. Dr. Simon, Rüdiger [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Pflanzen sind in der Lage, die Energie des Sonnenlichtes mittels Photosynthese zu nutzen und Kohlenstoffdioxid (CO2) in Biomasse zu verwandeln. Hauptsächlich wird die Kohlenstofffixierung von der Ribulose 1,5-Bisphosphate Carboxylase/Oxygenase (RuBisCO) katalysiert. In warmen, sonnigen, wie auch trockenen Klimaregionen ist die C4 Photosynthese, eine Abwandlung der C3 Photosynthese, sehr vorteilhaft. Die Vorteile der C4 Photosynthese führten zu einer wiederholt auftretenden konvergenten Evolution von C4 Spezies unter geeigneten Umweltbedingungen (Sage et al., 2011). Vergleicht man C3 und C4 Spezies miteinander, haben C4 Pflanzen unter geeigneten Bedingungen höhere Photosynthese-Kapazitäten bei geringerem Wasser- und Stickstoffverbrauch (Black, 1973; Ruan et al., 2012). Der Mechanismus der C4 Photosynthese lässt sich als ein biochemischer CO2 Konzentrationsmechanismus in RuBisCO Nähe beschreiben, wodurch die Effizienz der Kohlenstoffassimilation über den Calvin-Benson-Bassham-Zyklus stark gesteigert wird (Andrews und Lorimer, 1987; Furbank und Hatch, 1987). Obwohl weniger C4 Spezies im Vergleich zu C3 Spezies existieren, machen C4 Spezies ein Viertel des gesamten primär fixierten Kohlenstoffs auf unserem Planeten aus (Still et al., 2003; Edwards et al., 2010; Sage und Zhu, 2011). Aus diesem Grund ist die Erforschung der C4 Photosynthese und ihre Übertragung auf C3 Nutzpflanzen von höchstem Interesse und Hoffnungsträger für eine zweite „Grüne Revolution” (von Caemmerer et al., 2012). Zum Verständnis der C4 Photosynthese ist das Wissen über den transkriptionellen und genetischen Bauplan derselben unerlässlich. Die aktuelle Entwicklung der „Next- Generation Sequencing“-Technologien eröffnet neue Möglichkeiten, im großen Maßstab Transkriptom-Studien durchzuführen. Ziel der hier vorliegenden Doktorarbeit war es, den transkriptionellen Fingerabdruck der C4 Photosynthese zu erforschen, um die Etablierung der C4 Photosynthese und ihre notwendige Gen-Regulation während der Blattentwicklung zu verstehen. Hierfür wurde ein systembiologischer Ansatz gewählt, bei dem die Transkriptome von Vertretern der Cleomaceae und Cyperaceae verglichen wurden. Die hierbei verwendeten Methoden sind in Manuskript 1, einem Methoden-Review über RNA-Sequenzierung vorgestellt und zusammengefasst (Külahoglu und Bräutigam, 2014). Durch den Vergleich von zwei Transkriptom-Atlanten der nah verwandten Gynandra gynandropsis (C4) und Tarenaya hassleriana (C3) Spezies, konnten zwei Hauptkomponenten der C4 spezifischen Kranz-Anatomie entschlüsselt werden (Manuskript 2; Külahoglu et al., 2014). Die vergrößerten Bündelscheidenzellen der C4 Anatomie konnten mit höheren Ploidie- Graden durch verlängerte Endoreplikation in Verbindung gebracht werden. Die zweite Hauptkomponente der C4 Anatomie, die höhere Venendichte, steht im Zusammenhang miteiner Verzögerung der Mesophyllentwicklung durch die spätere Genexpression von Photosynthese, Chloroplasten-Entwicklung, generellen Blattentwicklungs- und Zellzyklus- relevanten Genen. Frühere Studien in A. thaliana (Scarpella et al., 2004), verknüpften die Verzögerung der Mesophyllentwicklung mit höherer Venendichte. Ähnliches konnten wir bei G. gynandra beobachten. Vergleiche zwischen den Genexpressionsmustern der C4 Zyklus Gene in den beiden Transkriptom-Atlanten zeigten, dass die C4 Zyklus Gene von verschiedenen ursprünglichen Expressionsdomänen in der C3 Spezies für den C4 Zyklus rekrutiert wurden. Dies macht die Anwesenheit eines generellen Hauptregulators der C4 Photosynthese eher unwahrscheinlich. Die C4 Photosynthese als komplexes adaptives Merkmal erlaubt die Anpassung an warme trockene Klimazonen. Da C4 Pflanzen evolutionär einen hohen Grad an Spezialisierung durchlaufen haben, wird angenommen, dass die phänotypische Plastizität aufgrund ihrer notwendigen komplexen Blattanatomie und Biochemie eingeschränkt ist (McKown und Sage, 2006). Eine Ausnahme bildet die C4 Photosynthese betreibende Feuchtgebiet-Spezies Eleocharis retroflexa, die eine außergewöhnliche phänotypische Plastizität bezüglich ihrer Anatomie und ihres Kohlenstoffwechsels besitzt (Manuskript 3). Vergleiche der Halm Transkriptome von E. retroflexa, die entweder unter Wasser oder an Land kultiviert wurden, ließen erkennen, dass diese Spezies überraschend flexibel in ihrer Nutzung des C4 Zyklus auf transkriptioneller Ebene ist. Darüberhinaus reagierten E. retroflexa Halme auf Transkriptom-Ebene rasch auf kleinste Umweltreize wie zum Beispiel Wasserentzug und Trockenheit. Unter Wasser hingegen verliert E. retroflexa seine Kranzanatomie und verhält sich wie eine Wasserpflanze. Hierbei wird die Photorespiration hochreguliert, um den C4 Zyklus wie bei C3-C4 Intermediaten zu unterstützen (Sage et al., 2012). Folglich ist E. retroflexa ein interessanter Vertreter einer hochplastischen anpassungsfähigen C4 Spezies, was im Gegensatz zur allgemeinen Beobachtung steht, dass C4 Spezies bezüglich Stoffwechsel und Anatomie weniger flexibel sind. Die hier aufgeführten vergleichenden Transkriptom-Studien zeigen neue Verbindungen zwischen Anatomie und Transkriptom des hochkomplexen adaptiven Merkmals der C4 Photosynthese. By using light as energy source, plants are able to convert inorganic carbon (carbon dioxide) into organic biomass through photosynthesis. The action of photosynthesis increases carbon sequestration and storage of ecosystems. The main enzyme catalyzing the carbon fixation is ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO). Under permissive conditions in hot, high light and arid environments, C4 photosynthesis is highly advantageous. Thus, C4 photosynthesis has evolved more than 65-times convergently in the Angiosperms from ancestral C3 species (Sage et al., 2011). In comparison to C3 species, C4 performing plants have a higher photosynthetic capacity and need less water and nitrogen (Black, 1973; Ruan et al., 2012). C4 photosynthesis can be described as a biochemical pump on top of conventional C3 photosynthesis that supercharges photosynthetic carbon assimilation via the Calvin-Benson-Bassham cycle, by concentrating CO2 at the site of the RuBisCO (Andrews and Lorimer, 1987; Furbank and Hatch, 1987). Even though there are relatively few C4 species, compared to C3 species, plants harboring the C4 photosynthetic trait account for a quarter of all primary fixed carbon on our planet (Still et al., 2003; Edwards et al., 2010; Sage and Zhu, 2011). Thus, transferring the C4 trait into C3 crop species is a major effort in plant breeding and is hoped for to trigger a second “green revolution” (von Caemmerer et al., 2012). One approach to investigate the C4 trait is to generate transcriptomic and genomic blueprints of different C4 species and closely related C3 species. The recent development of next-generation sequencing technologies opened up the path for large-scale transcriptome analyses and comparisons. This PhD thesis aims at expanding our knowledge about the transcriptional fingerprint of C4 photosynthesis, identifying C4 specific gene regulation, and understanding how the C4 trait is established with special focus on dicotyledonous leaf ontology. The studies presented in this PhD thesis used a systems biology approach for detailed transcriptome comparisons in the Cleomaceae and Cyperaceae families. The methods applied for generating the presented transcriptome data sets are summarized as workflow in Manuscript 1, a published method review on RNA-sequencing (Külahoglu and Bräutigam, 2014). Two comparative transcriptome atlases featuring the closely related Gynandropsis gynandra (C4) and Tarenaya hassleriana (C3) shed light on dicotyledonous C4 leaf ontology. We connected two key features of Kranz anatomy to transcriptional changes by integration of expression and anatomical data during leaf ontology (Külahoglu et al., 2014). Larger bundle sheath cell size, which is a key feature of C4 anatomy, could be connected with higher ploidy levels in these cells. Furthermore, we could link the C4 specific higher vein density to a delay in photosynthetic gene expression. This delay of mesophyll differentiation is possiblycontributing to the denser venation through prolonged initiation of vein orders in G. gynandra as seen in A. thaliana (Scarpella et al., 2004). By comparing the C4 cycle gene expression patterns between the two atlases it became apparent that the C4 genes had different ancestral expression domains in the C3 species leading to the assumption that a master regulator of C4 is unlikely. The complex adaptive trait of C4 photosynthesis allows the adaption to hot and arid environments. Since C4 plants are highly specialized by their complex leaf anatomy and biochemistry, which are needed to run the C4 cycle, the evolution of C4 photosynthesis has been hypothesized to come at the cost of reduced phenotypic plasticity (Sage and McKown, 2006). One exception is the terrestrial wetland species Eleocharis retroflexa, which displays a remarkable phenotypic plasticity in its mode of photosynthetic carbon assimilation (Manuscript 3). By comparing the E. retroflexa transcriptomes of culms grown under water and on soil, we found, that E. retroflexa is surprisingly flexible in the usage of the C4 cycle on transcriptional level. Submerged E. retroflexa loses classical Kranz anatomy and exhibits features known for aquatic plants, while up-regulating transcripts related to photorespiration and maintaining the C4 cycle as seen in C3-C4 intermediate plant species (Sage et al., 2012). Thus, E. retroflexa is an example of a highly plastic and adaptive C4 species, which contrasts the broad observation that C4 species display less plasticity in phenotype and metabolism, likely due to their high level of specialization. In summary, the presented comparative transcriptome studies showed new connections between anatomical specialization and transcriptional dynamics of the highly complex and adaptive C4 photosynthesis trait.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	22.01.2015
Dateien geändert am:	22.01.2015
Promotionsantrag am:	24.11.2014
Datum der Promotion:	15.01.2015