Dokument: The role of CLE40 in shoot stem cell homeostasis

Titel:	The role of CLE40 in shoot stem cell homeostasis
Weiterer Titel:	Die Rolle von CLE40 bei der Stammzellhomöostase im Spross
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=57761
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20211019-110751-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schlegel, Jenia [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 36,38 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 17.10.2021 / geändert 17.10.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Simon, Rüdiger [Gutachter] Prof. Dr. Zurbriggen, Matias [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Die Regulation der Stammzellhomöostase in pflanzlichen Sprossmeristemen basiert auf dem gut charakterisierten CLV3-CLV1 Signalweg. In der vorliegenden Arbeit wurde das Gesamtverständis der zugrundeliegenden regulatorischen Mechanismen durch die Charackterisierung eines homologen, jedoch antagonistisch wirkenden CLE40-BAM1 Signalweges erweitert. Mit Hilfe von transkriptionalen und translationalen Reporterlinien und der Analyse verschiedener Mutanten des CLV Signalwegs im Infloreszenzmeristem (IFM) konnte eine neue Rolle für CLE40 und seinen putativen Rezeptor BAM1 identifiziert werden. Obwohl CLE40 innerhalb der CLE-Familie die größte Sequenzähnlichkeit zum CLV3-Peptid aufweist, zeigen die beiden Peptide ein komplementäres Expressionsmuster im IFM. Auch funktional sind die beiden Peptide konträr: während clv3 Mutanten ein vergrößertes und fasziiertes Meristem aufweisen, sind die Meristeme von cle40 Mutanten kleiner. Des Weiteren zeigen beide Peptide eine gegensätzliche Wirkung auf den Transkriptionsfaktor WUS: während CLE40 die Aktivität von WUS erhöht, wirkt CLV3 reprimierend auf die Expression von WUS. Gleichzeitig reprimiert WUS die Aktivität von CLE40 und fördert die von CLV3, wodurch zwei negative Feedbacksignale entstehen. Die CLE40 Aktivität scheint, zumindest teilweise, durch den Rezeptor BAM1 reguliert zu werden. Wie CLE40 ist auch BAM1 in der Peripherie des IFM exprimiert. bam1 Mutanten zeigen, wie cle40 Mutanten, kleinere Meristeme und BAM1 selbst scheint ebenfalls, wie CLE40, eine fördernde Aktivität auf den Transkriptionsfaktor WUS zu haben. Die ektopische Expression von BAM1 unter dem WUS Promoter rettet die phänotypische Ausprägung von bam1 Mutanten im Bezug auf die Meristemgröße und kann zumindest teilweise die CLV1 Funktion in clv1 Mutanten übernehmen. CLV1 wird im Zentrum von Meristemen exprimiert und zeigt im Gegensatz zu CLE40 und BAM1 vergrößerte IFMs. CLV1 reprimiert außerdem die WUS-Expression, während CLE40 und BAM1 diese fördern. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass die Stammzellhomöostase im Sprossapikalmeristem durch zwei ineinandergreifende Signalwege reguliert wird. Dabei gelangen Signale von der zentralen und peripheren Zone zu WUS, welches wiederum die Expression der beiden Peptide kontrolliert, um eine funktionierende Stammzelldomäne zu erhalten. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass der Rezeptor ACR4 zwar einen positiven Effekt auf die Sprossmeristemgröße hat, jedoch weder die Anzahl der WUS-exprimierenden Zellen verändert, noch konnte die ektopische Expression von ACR4 im Zentrum des Meristems die wildtypische Meristemgröße wieder herstellen. Dies deutet darauf hin, das der positive Effekt von ACR4 auf die Meristemgröße unabhängig von den CLV3-CLV1-WUS und CLE40-BAM1-WUS Signalwegen ist. Die Aktivierung von Signalwegen kann durch den Abbau oder die Translokation eines Rezeptors nach Bindung des Liganden reguliert werden. Beispielsweise löst die Zugabe von CLV3 Peptid die Internalisierung von CLV1-GFP im IFM aus. In dieser Arbeit, haben wir diese Experimente auf das Peptid CLE40 und den Rezeptor ACR4 erweitertt. Nach der Zugabe von exogenem CLV3 oder CLE40 Peptid konnten wir eine erhöhte Akkumulation von Fluoreszenzsignalen der Rezeptoren CLV1 bzw. ACR4 in lytischen Vakuolen feststellen. Um die lokale und subzelluläre Dispersion des Peptids genau zu verfolgen, wurde das CLV3-Peptid mit einem kleinen Fluorophor markiert. In der Vergangenheit, stellte es eine Herausforderung dar CLE-Peptide mit einem Tag zu versehen ohne die Bindungsspezifität an den Rezeptor zu verlieren. In dieser Arbeit, ist es uns jedoch gelungen ein funktionales CLV3-Peptid, das mit dem Fluorophor Atto488 markiert wurde, zu identifizieren. Dieses chimäre CLE-Peptid war in der Lage die typischen Reaktionen von CLE-Peptiden in Pflanzen auszulösen (wie z.B. verkürztes Wurzelwachstum). Gleichzeitig haben wir nun die Möglichkeit die Diffusion des Peptids in das Wurzelgewebe zu visualisieren. Zusammenfassend, konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass es neben dem etablierten CLV3-CLV1-WUS Signalweg einen zweiten, antagonistisch wirkenden Signalweg bestehend aus CLE40-BAM1-WUS gibt, der einen positiven Effekt auf die Meristemgröße hat. Wir konnten außerdem zeigen, dass die Rezeptorkinase ACR4 ebenfalls einen positiven Effekt auf die Meristemgröße hat. Dieser Effekt scheint jedoch unabhängig von den beiden zuvor genannten Signalwegen zu agieren. Darüber hinaus konnten wir ein funktionelles fluoreszenz-markiertes Peptidid identifizieren, welches ermöglicht, präzise zu visualisieren, wie Peptide diffundieren und auf subzellulärer Ebene interagieren. Damit könnten grundlegende Fragen der Pflanzenentwicklung beantwortet werden, wie beispielsweise wo, wann und wie Signalkaskaden aktiviert werden. This study broadens our knowledge on how stem cell homeostasis in the shoot meristem of plants is achieved. Here, we provide evidence that the CLE40 peptide and its cognate receptor BAM1 antagonizes the well-studied CLV3-CLV1 pathway in stem cell regulation in the shoot meristem by the opposing regulation of the transcription factor WUS. Using translational and transcriptional reporter lines, we analyzed the expression patterns of the main players of the CLV pathway in the IFM and combined these experiments with mutant studies. We were able to describe a new role for the CLE40 peptide, the closest homologue of CLV3, and its putative receptor BAM1, which belongs to the CLV-family receptors. CLE40 is expressed in the PZ of the IFM in an expression pattern precisely complementary to that of CLV3. Furthermore, loss of the CLE40 and CLV3 gene, respectively, have opposing impacts on the meristem morphology in mutant plants. While clv3 mutants have enlarged and fasciated IFMs, meristems of cle40 mutants are smaller than wild type plants. Additionally, we could show that CLE40 signaling promotes WUS expression, while CLV3 signaling is known to restrict WUS expression via CLV1. In a negative feedback loop, WUS activity represses CLE40 expression and CLE40 activity seems to be at least in part mediated by BAM1. BAM1 is, like CLE40, also expressed in the PZ and bam1 mutants have, like cle40 mutants, smaller meristems compared to wild type plants. Additionally, BAM1 has, similar to CLE40, a promoting effect on WUS promoter activity. Besides that, ectopic expression of BAM1 in the center of the meristem is able to rescue its small meristem phenotype and can partly substitute CLV1 in a clv1 mutant background. CLV1 is expressed in the center of meristems and in incipient organ primordia. Unlike cle40 and bam1 mutants, clv1 mutants show enlarged IFMs. Together, these results show that shoot meristem development is controlled by two intertwined peptide signaling pathways that integrate signals from the stem cell zone and the meristem periphery to WUS and that WUS feeds back to regulate the expression of the two peptides to maintain a functional stem cell domain. We provide further evidence that the RLK ACR4 has a promoting effect on shoot meristem size. However, the number of WUS-expressing cells was not altered in acr4 mutants and ectopic expression of ACR4 in the center of the meristem did not rescue its small meristem phenotype. Therefore, we conclude that ACR4 promotes meristem size in a pathway independent of the CLV3-CLV1-WUS and the CLE40-BAM1-WUS pathways. Signaling events in plants can be controlled by receptor turnover/translocation upon ligand binding. For example, exogenous treatment of CLV3 peptide triggers the internalization of CLV1-GFP in IFMs. Here, we extended these experiments to include CLE40 and ACR4. After CLV3 and CLE40 peptide treatment, we detected an increased accumulation of fluorescence signals of the receptors CLV1 and ACR4 in lytic vacuoles, respectively. To precisely track the local and subcellular dispersion of the peptide, we tagged the peptide with a small fluorophore. In the past, it appeared to be challenging to modify CLE peptides by introducing tags without losing binding specificity. However, here we managed to show the functionality of CLV3p tagged with the small, green fluorophore Atto488. These chimeric CLE peptides were able to trigger typical CLE responses in planta and were shown to diffuse into the root tissue. Taken together, we here uncovered a new signaling pathway (CLE40-BAM1-WUS) that promotes meristem size and thus acts antagonistically to the well-known CLV3-CLV1-WUS pathway. We could further show that ACR4, most probably, acts independently of these pathways to promote meristem size and hence might also be involved in other developmental processes in the IFM. Additionally, the identification of functional peptides tagged to fluorophores was an important step to precisely visualize how peptides diffuse and interact on a subcellular level in future experiments. This will help to answer fundamental questions in plant development, for example, how, where, and when signaling cascades are activated.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	19.10.2021
Dateien geändert am:	19.10.2021
Promotionsantrag am:	24.06.2021
Datum der Promotion:	11.10.2021