Dokument: Genetic control of root meristem development in barley (Hordeum vulgare)

Titel:	Genetic control of root meristem development in barley (Hordeum vulgare)
Weiterer Titel:	Genetische Kontrolle der Wurzelmeristementwicklung in Gerste (Hordeum vulgare)
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=43496
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20171018-095514-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Kirschner, Gwendolyn [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 80,61 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.09.2017 / geändert 18.09.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Simon, Rüdiger [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. von Korff, Maria [Gutachter] Prof. Dr. Simon, Rüdiger [Gutachter]
Stichwörter:	barley root stem cells CLE40
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In dieser Arbeit wurde das Wurzelapikalmeristem von Gerste (Hordeum vulgare) in Bezug auf Anzahl und Entstehung der Zellreihen analysiert. Zusätzlich wurde die Genexpression von Genen im Sprossapikalmeristem untersucht, die möglicherweise sowohl im Wurzel- als auch im Sprossapikalmeristem exprimiert sind. Suberinfärbung zeigte, dass die Seminal-Wurzeln von Gerste aus einer Schicht Epidermiszellen, fünf Cortex-Zellreihen und einer Schicht Endodermis bestehen, die den Zentralzylinder umrunden. Zellteilungsstudien mit EdU-Färbung und RNA in situ-Hybridisierung mit einer Sonde für HISTONE H4 zeigten, dass das Ruhende Zentrum (QC) in Gerste aus ungefähr 30 Zellen besteht. Analysen der Zellwand-Anordnung ergaben, dass Endodermis und Cortex nicht wie in Arabidopsis und Reis aus einer gemeinsamen Initial-Zelle hervorgehen, sondern dass die inneren Cortexzellschichten und Endodermis eine gemeinsame Initialzelle teilen, während die äußeren Cortexzellschichten aus einer anderen Initialzelle hervorgehen. Außerdem geht die Epidermis aus einer anderen Initialzelle hervor, die unabhängig von der Wurzelhaube ist. Der zwischen Pflanzenspezies weitgehend konservierte CLE40-peptidabhängige Signalweg zur Aufrechterhaltung des proximalen Meristems ist auch in Gerste konserviert, die Aufrechterhaltung der Columella-Stammzellen durch diesen Signalweg scheint jedoch auf Arabidopsis beschränkt zu sein Literaturrecherche ergab, dass das Wurzelmeristem von Gerste weitgehend genauso strukturiert ist wie das von anderen einkeimblättrigen Pflanzen wie Reis und Mais. Jedoch weist es kleine, aber signifikante Unterschiede auf, wie etwa den Ursprung von Cortex und Endodermis und die Größe des QCs. Da Gerste alle Wurzeltypen besitzt, die auch andere einkeimblättrige Pflanzen aufweisen, nämlich eine Primärwurzel, Seminalwurzeln, Stelz- und Kronwurzeln, und Gerste salztoleranter ist als andere Getreide-Erntepflanzen, kann sie als wertvolles Vorbild für Wurzelentwicklung in anderen einkeimblättrigen Pflanzen dienen. Es gibt viele Beispiele, in denen Gene aus Gerste schon erfolgreich in andere Pflanzen übertragen, und damit die Trockenstress- und Salz-Toleranz erhöht wurde. Die Analyse der konservierten Signalkomponenten ergab, dass in Gerste viele homologe Gene existieren, die potentiell Wurzel- und Sprossmeristemwachstum regulieren könnten. HvSCR- und HvSHR-Expression gleicht dabei der Expression der homologen Gene aus anderen Pflanzen, sodass eine Rolle in Endodermis- und Cortexentstehung möglich wäre. Das WOX5-Homolog HvWOX5 ist im Metaxylem exprimiert, was nur zum Teil der Expression von anderen WOX5-Homologen entspricht, aber eine Rolle für die vaskuläre Entwicklung impliziert. HvCLV1, HvCR4 und HvCLE402 sind im ganzen Sprossapikalmeristem exprimiert und dadurch möglicherweise an der Sprossmeristem-Entwicklung beteiligt. Zusätzlich ist HvCLE402 auch im Wurzelmeristem exprimiert, was die Theorie unterstützt, dass das Wurzelmeristem entwicklungsgeschichtlich vom Sprossapikalmeristem abstammt. Analyse der Einwirkung von Auxin und Cytokinin zeigten, dass beide Phytohormone einen negativen Einfluss auf das Wachstum von Gerstenwurzeln und dem Wurzelmeristem haben, wenn die Pflanzen exogen damit behandelt werden. Auxin hat einen geringeren Einfluss auf die Wurzelmeristemlänge, deswegen ist es möglich, dass das verringerte Wurzelwachstum durch eine geringere Zell-Elongation in der ganzen Wurzel ausgelöst wird. Transgene Reporterlinien deckten auf, dass Cytokinin-Signalwege hauptsächlich in den stelaren Zellen proximal vom QC und in der differenzierten Wurzelhaube aktiv sind, die Expression der Reporterlinien aber durch exogene Behandlung mit Cytokinin auch in den Columella-Stammzellen, dem QC und den Epidermis-Initialen aktiviert werden kann, und darüberhinaus auch in der Stele auf Höhe der Transitionszone. Da Cytokininbehandlung zusätzlich zu einer reduzierten Meristemlänge führt, ist es wahrscheinlich, dass das Phytohormon das Wurzelwachstum durch eine vorzeitige Differenzierung des Meristems negativ beeinflusst. Analysen der Zielgene des Auxin-Signalwegs zeigten, dass das Homolog von AtPLT1, HvPLT1, in einem ähnlichem Muster exprimiert ist wie AtPLT1 in Arabidopsis, nämlich im QC und den rundherumliegenden Stammzellen. Außerdem ist auch ein Homolog des Auxin-Transporters PIN1, HvPIN1, auch im Wurzelmeristem exprimiert, seine Expression wird von Cytokinin reguliert und die intrazelluläre Lokalisation wird von BFA beeinflusst. Die vorliegende Arbeit stellt die Basis für Wurzel- und Sprossmeristem-Forschung in Gerste dar. Die Signalwege zu verstehen, die die Meristementwicklung von Spross und Wurzel regulieren, leistet einen wichtigen Beitrag zur genetischen Manipulation von Pflanzenwachstum, hin zu einem höheren Ertrag. In this study, the barley (Hordeum vulgare) root apical meristem was analysed in detail in regard to the number and origin of cell files. Additionally, gene expression of genes is examined in the shoot apical meristem that are possibly expressed in both root and shoot apical meristem. Suberin staining showed that the barley seminal root consists of one layer of epidermis, five cortex cell layers and one endodermal layer surrounding the central cylinder. Cell division studies by EdU staining and RNA in situ hybridisation with a probe for HISTONE H4 demonstrated that the Quiescent Center in barley consists of around 30 cells. Analysis of the cell wall arrangements revealed that endodermis and cortex do not share one common initial like it was observed in Arabidopsis thaliana and rice, but that the inner cortex shares a common initial with the endodermis, while the outer cortex is derived from another. Furthermore, the epidermis is derived from a different initial, and independent of the root cap. The among plant species widely conserved CLE40 peptide-dependent signalling pathway to regulate maintenance of the proximal meristem was found to be conserved in barley, the maintenance of the columella stem cells by this signalling pathway, however, seems to be restricted to Arabidopsis only. Literature research showed that altogether, the barley root meristem is structured like meristems of other monocots like rice and maize. However, it exhibits small but significant differences, like the origin of cortex and endodermis and the size of the QC. As barley features all root types of other monocots, a primary root, seminal roots, brace and crown roots, and is much more salt-tolerant than other cereal crop plants, it is a valuable model plant for root growth for other monocot plants. There are many examples, in which barley genes were successfully transferred to other plants and increased drought and salinity resistance. The study about conserved signalling components revealed that many homologue genes exist in barley that might regulate the barley root and shoot meristem growth. HvSCR and HvSHR expression resembles the expression of their homologues from other plants, indicating a role for endodermis and cortex formation. The WOX5 homologue HvWOX5 is expressed in the metaxylem, only resembling parts of the expression pattern from other WOX5 homologues, but indicating a role in vascular development. HvCLV1, HvCR4 and HvCLE402 are expressed throughout the whole shoot meristem, indicating a role for meristem development. Additionally, HvCLE402 is also expressed in the root meristem, which supports the theory that the root meristem is evolutionarily derived from the shoot meristem. Studies about the influence of the phytohormones auxin and cytokinin revealed that both phytohormones have a negative influence on barley root and meristem growth, when applied exogenously to the seedlings. Auxin has a lower influence on root meristem length, therefore the decreased root growth is possibly caused by a lower cell elongation in the whole root. Transgenic reporter lines revealed that cytokinin signalling mostly takes place in the stele cells proximal to the QC and in the differentiated root cap cells, but by cytokinin application, expression of the reporter can also be induced in the columella stem cells, the QC and epidermis initials, and more proximal in the stele at the transition zone of the meristem. As cytokinin application leads additionally to a reduced meristem size, the phytohormone probably influences the root growth negatively by premature differentiation of the meristem. Analysing signalling targets of auxin revealed that a homologue of AtPLT1, HvPLT1, is expressed in a similar way as AtPLT1 in Arabidopsis, namely in the QC and the surrounding cells. Furthermore, a homologue of the auxin PIN transporters PIN1, HvPIN1, is expressed in the root meristem, its expression is regulated by cytokinin and the intracellular localisation is affected by BFA. This givens study provides a basis for shoot and root meristem research in barley. Understanding the signalling pathways that regulate meristem development of both shoot and root contributes to the ability to genetically manipulate plant growth and thereby enhance the yield.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Genetik
Dokument erstellt am:	18.10.2017
Dateien geändert am:	18.10.2017
Promotionsantrag am:	26.07.2017
Datum der Promotion:	11.09.2017