Dokument: Cytokinin-promoted secondary growth and storage of high molecular weight carbon compounds in the perennial stem zone of Arabis alpina

Titel:	Cytokinin-promoted secondary growth and storage of high molecular weight carbon compounds in the perennial stem zone of Arabis alpina
Weiterer Titel:	Das durch Cytokinin geförderte sekundäre Dickenwachstum und Speicherung von Kohlenstoffverbindungen mit einem hohen Molekulargewicht in der mehrjährigen Stammzone von Arabis alpina
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55218
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210121-142626-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Sergeeva, Anna [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 15,10 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.01.2021 / geändert 15.01.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Bauer, Petra [Gutachter] Dr. Linka, Nicole [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Based on the reproductive strategy, plants can be classified into two groups, annuals and perennials. Monocarpic annual plants reproduce once during their life cycle and finally senesce. Polycarpic perennial plants grow for several seasons and cycle between vegetative and reproductive mode. Growth is maintained through vegetative behavior of meristems, while senescence is restricted only to reproductive branches. One characteristic trait of perennial species is the efficient use of nutrients that are partitioned between sustained plant organs and developing seeds. Resources, stored in vegetative plant structures, are used to re-initiate growth after unfavorable growth periods. Thus, persistence of perennial plants is marked by a high above-ground and below-ground tissue density. Vegetative above-ground shoots of perennial plants may increase in diameter with development. This increase in girth is termed secondary growth and is initiated by two secondary lateral meristems, the vascular and cork cambium. Cambial activity in stems is influenced by a diverse set of phytohormones. Here, cytokinin is claimed to be a key regulator in cambium establishment and activity. Secondary growth is linked to nutrient storage. Various storage compounds are known to be present in stem tissues of perennial herbaceous plant species and trees. Nutrient allocation to storage tissues is fundamental for perennial life cycle and must be precisely regulated. We used perennial Brassicaceae model species Arabis alpina to study perennial trait of nutrient storage. A. alpina Pajares (Paj), the accession requiring vernalization for flowering, has a complex stem architecture. Lateral stems of Paj and its vernalization-independent mutant derivative A. alpina perpetual flowering 1-1 (pep1-1) have a proximal vegetative zone, that is retained after flowering, and a distal senescing inflorescence zone. We investigated this zonation pattern on anatomical and biochemical level and identified the vegetative zone to be marked by secondary growth (termed perennial growth zone (PZ)). Starch and triacylglycerol (TAG)-containing lipid bodies accumulated in cambium and cambium derivatives in the PZ. In addition to TAG, glycolipids and phospholipids were present at higher levels in the PZ. Secondary growth and storage were independent from vernalization or flowering. By contrast, primary growth was characteristic for the inflorescence zone (termed annual growth zone (AZ)). The AZ and roots exhibited different storage characteristics. Application of cytokinin enhanced cambial activity and secondary phloem parenchyma formation in the PZ and in the AZ. Transcriptome analysis revealed cytokinin and lipid metabolism-related gene ontology terms to be enriched in the PZ. Cytokinin biosynthesis and signaling genes were expressed at a higher level in the PZ in comparison to the AZ. In addition, a set of glycerolipid metabolism-related genes had higher expression levels during development of the PZ. These genes strongly correlated with single fatty acids of each investigated glycerolipid fraction of the PZ. With this study we show that nutrient storage is coupled to cytokinin-promoted secondary growth in the vegetative PZ of A. alpina. Moreover, we identify lipid metabolism genes that might be potential targets of regulatory mechanisms specifying the PZ development. Pflanzen können anhand der Fortpflanzungsstrategie in zwei Gruppen, die einjährigen und die mehrjährigen, unterteilt werden. Monokarpe einjährige Pflanzen pflanzen sich einmal während ihres Lebenszykluses fort und seneszieren schließlich. Polykarpe mehrjährige Pflanzen überdauern mehrere Jahre und wechseln dabei zwischen dem vegetativen und reproduktiven Lebensmodus. Das Wachstum wird durch das vegetative Verhalten der Meristeme aufrechterhalten, während die Seneszenz sich nur auf die reproduktiven Äste beschränkt. Ein charakteristisches Merkmal der mehrjährigen Spezies ist die effiziente Nährstoffnutzung. Die Nährstoffe werden dabei zwischen den überdauernden Pflanzenorganen und den sich entwickelnden Samen aufgeteilt. Ressourcen, die in den vegetativen Pflanzenstrukturen gespeichert werden, werden nach den ungünstigen Wachstumsperioden für die erneute Wachstumsaufnahme genutzt. Die Langlebigkeit der mehrjährigen Pflanzen ist daher durch eine hohe oberirdische und unterirdische Gewebedichte gekennzeichnet. Vegetative oberirdische Sprosse der mehrjährigen Pflanzen können mit fortschreitender Entwicklung im Durchmesser zunehmen. Diese Zunahme im Umfang wird als sekundäres Dickenwachstum bezeichnet, und wird durch die Aktivität der zwei sekundärer Lateralmeristeme, des Kambiums und des Korkkambiums, ausgelöst. Kambiumaktivität in Stämmen wird durch eine Reihe unterschiedlicher Phytohormone beeinflusst. Hierbei wird Cytokinin als ein Hauptregulator der Kambiumetablierung und -aktivität angesehen. Sekundäres Dickenwachstum ist an die Nährstoffspeicherung gekoppelt. Das Vorkommen zahlreicher Speicherstoffe in Geweben der Stämme der mehrjährigen krautigen Pflanzen und Bäume ist bekannt. Nährstoffallokation zu den Speichergeweben ist grundlegend für den Lebenszyklus der mehrjährigen Pflanzen und muss präzise reguliert werden. Um das mehrjährige Merkmal der Nährstoffspeicherung zu untersuchen, wurde die mehrjährige Modellspezies Arabis alpina, die zur Familie der Brassicaceae gehört, genutzt. A. alpina Pajares (Paj), die Akzession, die Vernalisation zur Förderung der Blütenbildung benötigt, weist eine komplexe Stammarchitektur auf. Die lateralen Stämme von Paj können in eine proximale vegetative Zone, welche nach der Blütenbildung aufrechterhalten wird, und in eine distale seneszierende Infloreszenz-Zone unterteilt werden. Die gleiche Struktur ist auch beim mutierten Abkömmling von Paj, A. alpina perpetual flowering 1-1 (pep1-1), die keine Vernalisation zur Blütenbildung braucht, zu finden. Dieses Zonierungsmuster wurde auf anatomischer und biochemischer Ebene untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die vegetative Zone durch das sekundäre Dickenwachstum gekennzeichnet ist (benannt als mehrjährige Wachstumszone (engl., PZ)), und Stärke sowie Triacylglycerol (TAG) in den Lipidkörperchen im Kambium und in den Kambiumderivaten dieser Zone akkumulieren. Zudem wurden höhere Mengen an Glyko- und Phospholipiden in der PZ ermittelt. Sekundäres Dickenwachstum und Speicherung waren dabei nicht von der Vernalisation oder der Blütenbildung abhängig. Im Gegensatz dazu war das primäre Dickenwachstum charakteristisch für die Infloreszenz-Zone (benannt als einjährige Zone (engl., AZ)). Die AZ und die Wurzeln wiesen andere Speichermerkmale auf. Die Anwendung von Cytokinin förderte die Kambiumaktivität und die Bildung des sekundären Phloemparenchyms in der PZ und auch in der AZ. Mit Hilfe der Transkriptomanalyse wurden die Genontologie-Begriffe, die sich auf Cytokinin und den Lipidmetabolismus bezogen, als angereichert in der PZ nachgewiesen. Im Vergleich zu der AZ waren Cytokinin Biosynthese- und Signalgene höher exprimiert in der PZ. Zudem wies eine Reihe an Genen des Glycerolipid-Metabolismus eine stärkere Expression während der Entwicklung der PZ auf. Diese Gene korrelierten mit den einzelnen Fettsäuren jeder untersuchten Glycerolipid-Fraktion der PZ. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Nährstoffspeicherung in der vegetativen PZ von A. alpina in Verbindung mit dem sekundären Dickenwachstum, welches durch Cytokinin beeinflusst wird, steht. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit Gene des Lipidmetabolismus identifiziert. Diese Gene stellen potentielle Ziele der regulatorischen Mechanismen, welche die Entwicklung der PZ bestimmen könnten, dar.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Botanik
Dokument erstellt am:	21.01.2021
Dateien geändert am:	21.01.2021
Promotionsantrag am:	01.09.2020
Datum der Promotion:	20.10.2020