Dokument: Maintenance of the root stem cell niche homeostasis through the formation of transcription factor complexes in Arabidopsis thaliana

Titel:	Maintenance of the root stem cell niche homeostasis through the formation of transcription factor complexes in Arabidopsis thaliana
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55293
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210210-103625-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Burkart, Rebecca [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,32 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 25.01.2021 / geändert 25.01.2021
Beitragende:	PD Dr. Stahl, Yvonne [Gutachter] Prof. Dr. Georg Groth [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In dieser Arbeit wird die Funktion von Transkriptionsfaktor (TF)-Komplexen und deren subzellulären Lokalisation in Mikrodomänen in Bezug auf die Stammzellnischen (SZN)-Homöostase in der Wurzel von Arabidopsis thaliana untersucht. Zusätzlich wird eine Verbindung zwischen SZN-Erhaltung und dem Einfluss von externen Umweltreizen geschaffen. In Kapitel I wird ein Überblick über bekannte TFs in der Regulation des Wurzelapikalmeristems gegeben. Dieser dient als Grundlage für weitere Untersuchungen und zeigt außerdem, dass WUSCHEL-RELATED-HOMEOBOX5 (WOX5) eines der wichtigsten Akteure in der Kontrolle des Wurzelstammzellschicksals sowie der Zellteilung im ruhenden Zentrum ist. Zudem wird eine Beteiligung von TF-Komplexen und deren flexible subzelluläre Lokalisation in der Regulation des Wurzelapikalmeristems anhand bekannter Beispiele diskutiert. Das zweite Kapitel über die Komplexbildung von Pflanzenrezeptoren diente als Beispiel für eine bekannte Funktion von Mikrodomänen in zellulären Signalwegen. Hierin vermittelt die schnelle und reversible Bildung von Mikrodomänen an der Plasmamembran die Fähigkeit einer zeitlichen und örtlichen Trennung der verschiedenen Signalantworten. Dies könnte ein allgemeiner Mechanismus sein, um die benötigten zellulären Prozesse räumlich und zeitlich präzise zu trennen, die als Antwort auf verschiedene temporäre Signale stattfinden. In Kapitel III wird mithilfe von Experimenten zur Proteininteraktion und mathematischer Modellierung gezeigt, dass die Zellteilung im ruhenden Zentrum durch Interaktion der TFs BRAVO (BRASSINOSTEROIDS AT VASCULAR AND ORGANIZING CENTER) und WOX5 reguliert wird, und dies zum Erhalt des Ruhezustands des ruhenden Zentrums führt. Zudem wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PLETHORAs (PLTs) und WOX5 beide den Ruhezustand des ruhenden Zentrums kontrollieren (Kapitel IV). Außerdem regulieren sie in Abhängigkeit voneinander den Erhalt der Columellastammzellen (CSZs), sowohl auf transkriptioneller Ebene als auch durch Protein-Protein-Interaktion. Prionen-ähnliche Domänen (PrDs) wurden in den PLTs gefunden, die die Proteininteraktion mit WOX5 vermitteln und die für die Lokalisation von PLT3 in nukleären Mikrodomänen verantwortlich sind, in die WOX5 rekrutiert wird. Diese Mikrodomänen kommen meistens in jungen, sich entwickelnden Organanlagen von Lateralwurzeln vor, sind aber gelegentlich auch in CSZs des Wurzelapikalmeristems zu finden. Aufgrund ihres Vorkommens in Geweben, deren Zellschicksal noch nicht determiniert ist, könnten die Mikrodomänen als Marker für die zukünftige Zelldifferenzierung dienen. Schließlich wird in Kapitel V dieser Arbeit durch die Anwendung einer neuen Färbemethode zur SZN-Phänotypisierung herausgefunden, dass eine Verbindung zwischen SZN-Homöostase und Umweltreizen besteht, da der Transkriptionsregulator EARLY FLOWERING3 (ELF3) zusammen mit PLT3 am Erhalt des Ruhezustands des ruhenden Zentrums und des CSZ-Schicksals beteiligt ist. ELF3 wirkt als Knotenpunkt, welcher eine Vielfalt an Prozessen verbindet. Hierzu gehören Signalprozesse hinsichtlich circadianer Uhr, Licht und Pflanzenhormonen, Photosynthese, Thermomorphogenese und Wachstum. Somit koordiniert ELF3 die Signalantworten verschiedener Umwelteinflüsse. Wie auch PLT3 enthält das ELF3 Protein PrDs und es lokalisiert in Mikrodomänen. Diese Lokalisation scheint reversibel zu sein und hängt von externen Reizen ab, wie bereits gezeigt wurde. Deshalb könnte die flexible subzelluläre Lokalisation ein Mechanismus zur räumlichen und zeitlichen Trennung der unterschiedlichen zellulären Prozesse sein, in die ELF3 involviert ist, ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Pflanzenrezeptoren. Hinsichtlich der SZN-Erhaltung wirken ELF3 und PLT3 durch direkte Proteininteraktion und lokalisieren zusammen in nukleären Mikrodomänen, wie mit bildgebender Fluoreszenzlebenszeit-Mikroskopie und Lokalisations-Experimenten gezeigt wurde. In diese Mikrodomänen wird, wie oben beschrieben, möglicherweise auch WOX5 rekrutiert und sie wirken vermutlich als Marker für die Determinierung des Zellschicksals in Antwort auf Umweltreize. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die komplexe Regulation der SZN-Homöostase in der Wurzel von Arabidopsis thaliana von der Bildung bestimmter TF-Komplexe und ihrer flexiblen subzellulären Lokalisation in Mikrodomänen abhängt. Mit dem Verständnis über die Kontrolle des Wurzelstammzellschicksals kann eine Basis für die Forschung nach effizienterem Wurzelwachstum geschaffen werden, deren weiterführende Zielsetzung sowohl die Bewältigung der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung durch ergiebigere Nutzpflanzen sein könnte, als auch eine stärkere Resilienz bei schwierigen Umweltbedingungen hinsichtlich des fortschreitenden Klimawandels. This study elucidates the function of complex formation and subcellular microdomain localisation of specific transcription factors (TFs) involved in the control of root stem cell niche (SCN) homeostasis in Arabidopsis thaliana. Additionally, it reveals the integration of external cues in the regulation of SCN maintenance. Starting with an overview about known TFs involved in root apical meristem (RAM) maintenance (chapter I), a basis for further investigations is built, showing that WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX5 (WOX5) is one of the most important players in root stem cell maintenance and in the control of cell divisions in the quiescent centre (QC). Furthermore, a first link to regulations via TF-complex formation and potential subcellular translocation is drawn. In chapter II an example of a known function of microdomain formation in cellular signalling processes is discussed. Herein, the fast and reversible formation of microdomains through plant receptor complexes at the plasma membrane leads to the ability of a spatio-temporal separation of signalling processes. This could represent a general mechanism to precisely separate the required cellular processes spatially and temporally in response to momentary signals. In chapter III, investigations on the control of QC quiescence, using protein interaction experiments and mathematical modelling, uncover a new interconnected regulation through complex formation of the TFs BRAVO (BRASSINOSTEROIDS AT VASCULAR AND ORGANIZING CENTER) and WOX5, where they positively influence QC quiescence. Furthermore, in chapter IV it is revealed that PLETHORAs (PLTs) and WOX5 both control QC quiescence and interdependently regulate columella stem cell (CSC) maintenance through transcriptional regulation but also direct protein-protein interaction. Prion-like domains (PrDs) were identified in the PLTs that mediate protein interaction with WOX5 and are responsible for the localisation of PLT3 to nuclear microdomains, where WOX5 gets recruited. These microdomains appear mostly in cells of young developing lateral root primordia but occasionally also in CSCs of the RAM. Because of their occurrence in tissues that must undergo cell fate determination, they may represent a marker for future cell differentiation. Finally, by applying a new staining method for SCN phenotyping, this study uncovers a new link between SCN homeostasis and environmental stimuli, as the transcriptional regulator EARLY FLOWERING3 (ELF3) is involved in the control of QC quiescence and CSC maintenance in a PLT3-dependent manner (chapter V). The clock-related ELF3 is proposed to act as a hub that connects a variety of processes including clock- and light-signalling, photosynthesis, hormone signalling, thermomorphogenesis and growth, thereby coordinating the responses on diverse environmental signals. Like PLT3, the ELF3 protein has PrDs and localises to microdomains. This localisation seems to be reversible and depends on external stimuli, as shown previously. Therefore, the flexible subcellular localisation could represent a mechanism to spatially and temporally separate the different cellular processes where ELF3 is involved, similar to the above-described signalling through plant receptor-complexes. Regarding SCN maintenance, ELF3 and PLT3 directly interact and locate together to nuclear microdomains as shown with fluorescence-lifetime imaging microscopy and localisation studies. These ELF3- and PLT3-containing microdomains, potentially also recruiting WOX5 as described above, might act as markers for cell-fate determination in response to environmental stimuli. In summary, the results of this study add knowledge to the not yet fully understood intricate regulation of the SCN homeostasis in the root of Arabidopsis thaliana, that strongly depends on the formation of TF-complexes and their flexible subcellular localisation to microdomains. By understanding root stem cell fate regulation, a basis for research on more efficient root growth is created, that could aim at increasing the yield of crop plants in order to feed a growing world population and provide better resilience to the challenges of climate change.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Genetik
Dokument erstellt am:	10.02.2021
Dateien geändert am:	10.02.2021
Promotionsantrag am:	01.10.2020
Datum der Promotion:	07.12.2020