Dokument: Identifizierung eines cis-regulatorischen Moduls für bündelscheidenspezifische Genexpression und Transkriptomanalyse der Kühleantwort des C4 Grases Zea mays

Titel:	Identifizierung eines cis-regulatorischen Moduls für bündelscheidenspezifische Genexpression und Transkriptomanalyse der Kühleantwort des C4 Grases Zea mays
Weiterer Titel:	Identification of a cis-regulatory module for bundle sheath-specific gene expression and transcriptome analysis of the chilling response of the C4 grass Zea mays
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44681
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180126-133452-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Kirschner, Sandra [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,50 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.01.2018 / geändert 23.01.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Maria von Korff Schmising [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Die Arbeit ist in zwei thematisch unterschiedliche Teilprojekte unterteilt. C4 Pflanzen haben die für den Photosynthesezyklus benötigten Enyzme in zwei verschiedene Kompartimente, der Bündelscheide und dem Mesophyll, aufgeteilt. Analysen der zugehörigen Gene zeigten, dass die räumliche Expression auf transkriptioneller, posttranskriptioneller und sogar posttranslationaler Ebene reguliert werden kann. Der Einbau des C4 Zyklus in C3 Pflanzen bedarf der Kenntnis von Mechanismen, die bündelscheiden- und mesophyllspezifische Expression bedingen sowie ein Repertoire der entsprechenden Module. Im ersten Teilprojekt wurde der Promoter des SULTR2;2 Gens aus Arabidopsis thaliana mittels Deletionsanalyse von Promoter-Reportergen Konstrukten auf cis-regulatorische Elemente für bündelscheidenspezifische Expression untersucht. Durch 5' Deletionen konnte eine 741 bp lange Region für spezifische Expression abgegrenzt werden. Weitere 3' Deletionen verkürzten diese Region zu einem 350 bp langen Kernmodul, das zwingend für moderate bündelscheidenspezifische Expression erforderlich ist. Ein quantitatives Modul, das 5' vor dem Kernmodul liegt, konnte identifiziert werden. Dieses Modul steigert im natürlichen Kontext des Promoters die Aktivität des Kernmoduls und kann die Aktivität eines heterologen Minimialpromotors potenzieren. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die bündelscheidenspezifische Expression von AtSULTR2;2 auf der Transkriptionsebene reguliert wird. Die Regulation erfolgt durch eine 350 bp lange Kernregion, umgeben von einer nicht zwingend notwendigen, aber Robustheit verleihenden Region. Zudem wurde gezeigt, dass der AtSULTR2;2 Promoter auch in Flaveria bidentis bündelscheidenspezifische Expression initiieren kann. Daraus wurde gefolgert, dass die nötigen trans-regulatorischen Faktoren über die Grenze der Asteriden und Rosiden hinaus konserviert sind. Mais hat seinen Ursprung in tropischen und subtropischen Regionen, wird aber mittlerweile auch in gemäßigteren Regionen kultiviert. Dort kann die Ernte aufgrund von geringen Temperaturen geschmälert werden. Ein größeres Verständnis über die Reaktion von Mais auf Kühle sowie über die Basis von Kühletoleranz kann dem Züchter helfen, kühletolerante Pflanzen zu generieren. Im zweiten Teilprojekt wurde die Reaktion von Mais auf Kühle mit Bezug auf einen Quantitative Trait Locus für Frischmasseertrag analysiert. Dies wurde mittels eines Transkriptomexperiments, bei dem oberirdische Organe sowie Wurzeln untersucht wurden, erreicht. Kühlestress induzierte schnell differenzielle Genexpression in der doppelhaploiden und kühlesensitiven Linie SL. Diese Transkripte umfassten oft solche, die mit Phytohormonen, Regulation von Expression, Bereinigung von reaktiven Sauerstoffspezies und Signaltransduktion assoziiert sind. Die Qualität dieser deutete darauf hin, dass SL während der ungünstigen Zeit aktiv das Wachstum einstellte. Dies kann tatsächlich in Feld- oder in Klimakammer-Experimenten beobachtet werden. Störungen der Photosynthese und der circadianen Uhr wurden angedeutet. Bei dem Vergleich der toleranten nahe isogenen Linie N4-8X-tol und der sensitiven nahe isogenen Linie N4-8X-sen wurde angedeutet, dass die tolerante NIL schon bei günstigen Temperaturen die entsprechende Voraussetzung für Kühletoleranz aufweist. Außerdem schien N4-8X-tol sich während der Kälte auf eine schnelle Wiederaufnahme des Wachstums vorzubereiten. Ferner wurde für das Kühletoleranz- Kandidatengen ke-1 differenzielle Expression nachgewiesen. The thesis comprises two thematically different sub-projects. C4 plants locate the necessary enzymes for the photosynthetic cycle in two different compartments, the bundle sheath and the mesophyll. Analyses of the associated genes revealed control for spatial gene expression at the transcriptional, posttranscriptional and even posttranslational level. Implementing the C4 cycle in C3 plants requires understanding of mechanisms conferring BS- and M-specific expression as well as a "toolbox" of respective modules. In the first sub-project, the promoter of the Arabidopsis thaliana SULTR2;2 gene was analysed to reveal cis-regulatory elements generating BS-specific expression by means of deletion analyses of promoter-reporter gene constructs. 5' deletions led to the discovery of a 741 bp region for specific expression. Further 3' deletions shortened the region to a 350 bp core module that is absolutely necessary for moderate BS-specific expression. A quantitative module located 5' of the core module was also identified. This module enhances the activity of the core module in the natural context of the promoter and is able to raise the activity of a heterologous minimal promoter. In total, BS-specific expression of AtSULTR2;2 is regulated transcriptionally and driven by a 350 bp core region surrounded by a negligible region conferring robustness to expression. Furthermore, conservation of trans-regulatory factors for BS-specific expression over the border of asterids and rosids was implied as the AtSULTR2;2 promoter was able to direct BS-specific gene expression in Flaveria bidentis. Maize has its origin in tropical and subtropical regions but is by now cultivated in more temperate regions. There, yields might be limited by low temperature in the early growth season. Obtaining a greater knowledge of chilling response and basis of chilling tolerance of maize might help breeders to generate chilling tolerant maize lines. In the second sub-project, the chilling answer of maize with respect to a quantitative trait locus for fresh matter yield and chilling tolerance was analysed. This was achieved by a transcriptome experiment analysing aerial organs and roots before and during chilling. Chilling stress quickly induced differential gene expression in the double haploid and chilling sensitive line SL. These transcripts largely included those related to phytohormone regulation, expression regulation, reactive oxygen species scavenging and signal transduction. The quality indicates that SL actively pauses growth during unfavourable conditions. The output can be seen in field and growth chamber experiments. Perturbations of photosynthesis and the circadian clock were implied. A comparison of the tolerant and the sensitive near isogenic lines N4-8X-tol and N4-8X-sen hinted preconditioning of N4-8X-tol for chilling tolerance at favourable temperatures. Additionally, it seemed that the tolerant NIL prepared for rapid growth resumption during chilling. Furthermore, differential expression was verified for the candidate gene ke-1.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Entwicklungs- und Molekularbiologie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	26.01.2018
Dateien geändert am:	26.01.2018
Promotionsantrag am:	03.08.2017
Datum der Promotion:	09.11.2017