Dokument: Phylogenetic Analyses on the Evolution of C4 Photosynthesis

Titel:	Phylogenetic Analyses on the Evolution of C4 Photosynthesis
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=54883
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20201211-140822-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Maß, Janina [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 14,06 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 26.11.2020 / geändert 26.11.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Lercher, Martin [Gutachter] Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The C 4 pathway, which derives its name from the initial fixation of carbon as a four-carbon compound, can be described as an add-on to the evolutionarily older C 3 pathway of photosynthesis. It provides advantages for plants under hot, arid conditions as it suppresses the detrimental process of photorespiration. In C 4 plants final carbon fixation takes place after concentrating carbon dioxide near Rubisco, which is made possible by various biochemical and anatomical alterations. Despite the complex adaptions required, C 4 photosynthesis evolved many times convergently. Independent C 4 origins occur in clusters, e.g. in the Cleomaceae family investigated in Manuscripts 4 and 5 ; some of the clusters include extant intermediary species. The high water and nitrogen use efficiency of the C 4 -trait make it a desirable target for introduction into non-C 4 crops to improve agricultural production. To ultimately achieve the goal of engineering C 4 , it is necessary to understand the complexity of the trait. Manuscripts included in this thesis present methods or analyses targeted at understanding the complexity of the C 4 -trait via examination of gene expression and genomic sequence. The opportunities opened up by sourcing large-scale data from different pools come at the price of high heterogeneity and necessitate careful processing. One aspect of this – maximizing usable alignment information via outlier filtering – is described in Manuscript 1. Manuscript 4 and Manuscript 5 both focus on comparing gene expression between closely related Cleomaceae species that utilize the respective photosynthesis pathways. In Manuscript 2 and Manuscript 3 we take a look at the key C 4 tissues, mesophyll (M) and bundle sheath (BS) during leaf development in the important C 4 crop species Zea mays. Manuscript 2 is a meta-study comparing our own generated data set with those of other studies targeting BS and M tissues; it highlights the usefulness of integrating and cross-referencing multiple studies. The data was made available for download or visualization as a community resource. The data was further used in Manuscript 3, where we compared expression divergence to phylogenetic signal. This included performing an automated phylogenetic analysis, including sequence filtering with the tool from Manuscript 1, to infer the presence of positive selection. Der C 4 -Stoffwechselweg, der seinen Namen von der initialen Fixierung von Kohlenstoff als 4-Kohlenstoff-Verbindung erhält, kann als Erweitung zum evolutionär älteren C 3 -Stoffwechselweg der Photosynthese beschrieben werden. C 4 -Photosynthese bringt Pflanzen unter heißen und trockenen Bedingungen Vorteile dadurch, dass der nachteilige Prozess der Photorespiration unterdrückt wird. In C 4 -Pflanzen findet die abschlieißende Kohlenstofffixierung statt nachdem Kohlenstoffdioxid in der Nähe von Rubisco angereichert wird, was durch verschiedene biochemische und anatomische Änderungen ermöglicht wird. Trotz der Notwendigkeit komplexer Veränderungen hat sich die C 4 -Photosynthese mehrfach konvergent entwickelt. C 4 -Photosynthese entstand unanbhängig in Clustern, z.B. in der Familie der Cleomaceae, die in den Manuskripten 4 and 5 untersucht wurde; einige Cluster enthalten noch vorhandene intermediäre Spezies. Die effiziente Wasser- und Stickstoffverwertung machen es erstrebenswert, den C 4 - Stoffwechselweg in C 3 -Pflanzen einzubringen um die landwirtschaftliche Produktion zu verbessern. Um letztlich das Ziel der Einbringung des C 4 -Weges zu erreichen, ist es notwendig seine Komplexität zu verstehen. Die Manuskripte in dieser Arbeit zeigen Methoden und Analysen auf, deren Zielsetzung ein besseres Verständnis der Komplexität der C 4 -Photosynthese ist. Dabei werden Genexpression und genomische Sequenzen betrachtet. Die Möglichkeiten, die solch große Datensätze, die aus verschiedenen Quellen stammen, bringen, führen allerdings auch zu hoher Heterogenität der Daten und machen sorgfältige Prozessierung nötig. Eine Komponente davon – die Maximierung nutzbarer Alignmentinformation durch Outlier-Filterung – wird in Manuskript 1 beschrieben. In den Manuskripten 4 und 5 werden Genexpressionsdaten zweier nah verwandter Spezies aus der Familie der Cleomaceae verglichen, die den C 4 bzw. C 3 Stoffwechselweg nutzen. In den Manuskripten 2 und 3 untersuchen wir die speziellen C 4 -Gewebe Mesophyll (M)- und Bündelscheidenzellen (BS) während der Blattentwicklung der wichtigen C 4 -Nutzpflanze Zea mays. Manuskript 2 ist eine Meta-Studie, in dem wir unseren eigens generierten Datensatz mit denen anderer Studien, die BS- und M-Gewebe untersuchen, vergleichen. Dabei wird die Nützlichkeit der Datenintegration und Querreferenzierung mehrerer Studien deutlich. Der Datensatz wurde zum Download und zur Visualisierung als Ressource zur Verfügung gestellt. Die Daten wurden darüberhinaus in Manuskript 3 verwendet, in dem wir die Beziehung von Expressionsdivergenz zum Selektionsdruck untersuchen. Dies beinhaltete die Durchführung automatisierter phylogenetischer Analysen, einschließlich des Herausfilterns von Sequenzen mit dem in Manuskript 1 beschriebenen Tool, um das Auftreten positiver Selektion zu untersuchen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	11.12.2020
Dateien geändert am:	11.12.2020
Promotionsantrag am:	14.05.2020
Datum der Promotion:	27.10.2020