Dokument: Die Rolle des SHR-SCR-SCL23-JKD-Regulationsnetzwerks in der Entwicklung des Sprossapikalmeristems
| Titel: | Die Rolle des SHR-SCR-SCL23-JKD-Regulationsnetzwerks in der Entwicklung des Sprossapikalmeristems | |||||||
| Weiterer Titel: | The role of SHR-SCR-SCL23-JKD regulatory network in shoot apical meristem development | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58886 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20230308-101101-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | M. Sc Bahafid, Elmehdi [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. Simon, Rüdiger [Gutachter] Blilou, Ikram [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik) | |||||||
| Beschreibungen: | Eine der zentralen Fragen in der Entwicklungsbiologie der Pflanzen ist, wie der Pflanzenkörper aufgebaut wird und wie die Gewebemuster festgelegt und erhalten werden. Im Gegensatz zu Tieren haben Pflanzen die Fähigkeit, während ihres gesamten Lebenszyklus kontinuierlich zu wachsen und neue Organe zu entwickeln. Die Ursprünge der Zellen für diese kontinuierliche Organogenese sind die apikalen Meristeme an den Wachstumsspitzen von Spross und Wurzel. Das Sprossapikalmeristem (SAM) und das Wurzelapikalmeristem (RAM) entstehen während der Embryogenese und bestehen aus einem Pool von Stammzellen, deren Nachkommen Zellen für die Bildung der oberirdischen bzw. unterirdischen Teile der Pflanze liefern.
Das SAM ist eine komplexe Struktur die in viele funktionelle Bereiche unterteilt ist. In der zentralen Zone (CZ) teilen sich die Stammzellen langsam und bringen Tochterzellen hervor, die in die periphere Zone (PZ) wandern. In der PZ teilen sich die Zellen mehrfach, bevor sie in die lateralen Organprimordien (LOP) integriert werden. Der Erwerb der Zell-/Gewebetyp-Identität in Pflanzen beruht auf Positionsinformationen, die durch interzelluläre Signalübertragung bestimmt werden. Neben der Entdeckung von genregulatorischen Netzwerken, die die Homöostase der Sprossstammzellen kontrollieren und die verschiedenen Zonen des SAM strukturieren, ist das derzeitige Verständnis darüber, wie die Spezifikation des Zellschicksals innerhalb der verschiedenen Domänen moduliert wird, welche Faktoren an diesem Prozess beteiligt sind und wie die Kommunikation zwischen diesen verschiedenen Domänen abläuft, immer noch gering. Zu diesem Zweck wurde in der vorliegenden Studie untersucht, ob das regulatorische Netzwerk, das aus den GRAS-Transkriptionsfaktoren SHORT ROOT (SHR) und SCARECROW (SCR) besteht, neben seiner Rolle im RAM auch an der Strukturierung des Gewebes und der Festlegung des Zellschicksals in den verschiedenen Funktionszonen im SAM beteiligt ist. Im RAM wird SHR in der Stele exprimiert und wandert dann nach außen in die Endodermis und das ruhende Zentrum (QC), wo es mit SCR, SCARECROW LIKE 23 (SCL23) und JACKDAW (JKD) interagiert. Der SHR-SCR-JKD-Komplex aktiviert die Expression von CYCLIN D6;1 (CYCD6;1) in der Cortex-Endodermis Initial (CEI) und fördert die formativen Teilungen, die zur Bildung und Spezifizierung des Grundgewebes führen. Während viel über die Funktion des SHR-Regulationsnetzwerks während der RAM-Entwicklung bekannt ist, sind seine Funktionen in SAM noch nicht erforscht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das SHR-SCR-SCL23-JKD-Netzwerk eine wichtige Rolle in der SAM-Entwicklung von Arabidopsis spielt, indem es die Initiierung von lateralen Organen an der Peripherie mit der Aufrechterhaltung der Stammzellenaktivität in der zentralen Zone koordiniert. Dabei wirkt es synergistisch mit dem WUS-CLV3-Signalweg in einer von der Auxin-Konzentration abhängigen Weise zusammen. Somit ist ein funktionierendes SHR-SCR-SCL23-JKD-Interaktionsnetzwerk für die korrekte Entwicklung und das Wachstum des SAM erforderlich. Um Informationen über mögliche Funktionen dieser Transkriptionsfaktoren (TFs) im SAM zu erhalten, wurden die Phänotypen der shr-, scr-, jkd- und scl23-Mutanten untersucht, indem die Pflanzenmorphologie, das Plastochron, die Meristemgröße, die Zellfläche, die Zellgröße, die Zellteilungsrate und die Expression der Auxin-Input- und Output-Reporter im Wildtyp und in verschiedenen mutanten Hintergründen analysiert wurden. Die Analysen zeigen, dass die mutierten SAMs im Vergleich zum Wildtyp kleiner sind, eine geringere mitotische Aktivität aufweisen und die Initiation der Seitenorgane stark verzögert ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese TFs in Arabidopsis-SAM funktionell sind. Durch die Untersuchung der Expressionsmuster von SHR, SCR, SCL23 und JKD im SAM unter Verwendung von Transkriptions- und funktionellen Translationsreporterlinien wurde festgestellt, dass alle vier TFs mit einer teilweisen oder vollständigen Überlappung in den Seitenorgan-Primordien (LOP) exprimiert werden und dass SCR und SCL23 ein komplementäres Expressionsmuster im Zentrum des SAM aufweisen, wobei SCR in der L1 und in geringerem Maße in der L2 und SCL23 in der L3 exprimiert wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass SCR die Mobilität von SHR einschränkt und direkt von SHR im RAM reguliert wird. Mithilfe von qRT-PCR und durch Analyse der SCR-Expression in der shr-Mutante konnte festgestellt werden, dass die SCR-Expression im SAM durch SHR in der LOP hochreguliert wird und dass die SHR-Expression in Anwesenheit von SCR im Zellkern konzentriert ist. Mittels in vivo FRET-FLIM-Experimenten wurde gezeigt, dass SHR, SCR und JKD im SAM interagieren. Darüber hinaus zeigt die Expressionsanalyse des bekannten Zielproteins des SHR-SCR-JKD-Komplexes CYCD6;1, dass sich die CYCD6;1-Expression mit der von SHR, SCR und JKD in den inneren Zellen der lateralen Primordien überschneidet. Außerdem ist die Expression von pCYCD6;1-GFP in shr-mutanten LOP stark reduziert und in den Sepal-Primordien sehr gering. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der Mechanismus, der die Expression von SCR, die Mobilität von SHR und die periklinale Zellteilung im RAM reguliert auch im SAM konserviert ist, was zur Zellproliferation im SAM und zur Bereitstellung von Zellen für die LOP-Bildung führt. Darüber hinaus zeigt die genetische Analyse, dass die SHR-Expression durch einen MP-vermittelten Auxin-Signalweg über ein Paar von AuxRE-Motiven im SHR-Promotor reguliert wird. Weitere genetische und molekulare Analysen ergaben, dass SCL23 mit dem Homöodomänen-TF WUS im Organisationszentrum (OC) interagiert, um die Homöostase der Sprossstammzellen aufrechtzuerhalten, und dass die Expression von SCL23 und WUS mittels einer negativen Rückkopplung durch die Stammzellen über den CLV-Signalweg reguliert wird. Insgesamt weisen die Ergebnisse auf eine neue, bisher nicht charakterisierte Funktion des SHR-SCR-SCL23-JKD-Genregulationsnetzwerks hin, in dem die Konvergenz des SHR-Signalwegs und des WUS-CLV-Loop die Kommunikation zwischen dem Zentrum und der Peripherie des SAM in Arabidopsis kontrolliert.One of the central questions in plant developmental biology is how the plant body is established and how the tissue patterns are specified and maintained. Unlike animals, plants retain the capacity to continuously grow and develop new organs throughout their life cycles. The sources of cells for this continuous organogenesis are the apical meristems present at the growing tips of shoot and root. The shoot apical meristem (SAM) and root apical meristem (RAM) are established during embryogenesis and consist of a small pool of stem cells whose descendants provides cells to generate the aerial and the underground parts of a plant respectively. The SAM is a complex structure divided into many functional domains. In the central zone (CZ), stem cells divide slowly and give rise to daughter cells that will be displaced towards the peripheral zone (PZ). In the PZ, cells undergo several rounds of cell divisions before getting incorporated into the lateral organ primordia (LOP). The acquisition of cell/tissue type identity in plants rely on positional information, determined by intercellular signalling. Beside discovering gene regulatory networks controlling shoot stem cell homeostasis, and patterning different zones of the SAM, our current understanding of how cell fate specification within the different domains is modulated, what factors participate in this process and how the communication between these different domains is orchestrated are still elusive. To that end, the present study investigates if the regulatory network comprising of the GRAS transcription factors SHORT ROOT (SHR) and SCARECROW (SCR) is involved in the tissue patterning and cell fate acquisition within the different functional zones in the SAM, besides its role in the RAM. In the RAM, SHR is expressed in the stele and then moves outward into the endodermis and the quiescent center (QC), where it interacts with SCR, SCARECROW LIKE 23 (SCL23) and JACKDAW (JKD). The SHR-SCR-JKD complex directly activate the expression of CYCLIN D6;1 (CYCD6;1) in the cortex endodermis initial (CEI) and promote formative divisions leading to the formation and specification of the ground tissue. While a lot is known about the function of the SHR regulatory network during RAM development its functions in SAM are not yet explored. The results of this work reveal that the SHR-SCR-SCL23-JKD network plays an important role in the Arabidopsis SAM development by coordinating between lateral organ initiation at the periphery with the maintenance of stem cell activity in the central zone through synergistically working with the WUS-CLV3 pathway and in an auxin concentration-dependent manner. Thus, a functional SHR-SCR-SCL23-JKD interaction network is required for the proper development and growth of the SAM. To gain information about possible functions of these TFs in the SAM, the phenotypes of the shr, scr, jkd and scl23 mutants were investigated by analysing: the plants morphology, plastochron, meristem size, cell area, cell size, rate of cell division, and expression of the auxin input and output reporters in the wild-type and in different mutant backgrounds. The analyses show that the mutant SAMs are smaller with low mitotic activity and long delay in lateral organ initiation compared to the wild-type SAMs. These results indicates that these TFs are functional in Arabidopsis SAM. By studying the expression patterns of SHR, SCR, SCL23 and JKD in the SAM using transcriptional and functional translational reporter lines, it was found that all the four TFs were expressed in the SAM with a partial or complete overlap in the lateral organ primordia (LOP), and that SCR and SCL23 have a complementary expression pattern in the center of the SAM, with SCR expressing in the L1 and lowly in L2, and SCL23 in the L3. Previous studies showed that SCR restricts the mobility of SHR and its directly regulated by SHR in the RAM. Using qRT-PCR and by analysing the expression of SCR in the shr mutant we found that SCR expression in the SAM is up-regulated by SHR in the LOP, and that SHR expression is concentrated in the nucleus in the presence of SCR compared to its absence. Using in vivo FRET-FLIM, it was found that SHR, SCR and JKD physically interact in the SAM. Furthermore, expression analysis of the known targets of SHR-SCR-JKD complex, CYCD6;1 demonstrates that CYCD6;1 expression perfectly overlaps with that of SHR, SCR and JKD in the inner cells of the lateral primordia. Moreover, the expression of pCYCD6;1-GFP was strongly reduced in shr mutant LOP and very low in the sepal primordia. Together these findings suggest that the mechanism regulating expression of SCR, mobility of SHR and periclinal cell division in the RAM are also conserved in the SAM leading to cell proliferation in the SAM and providing cells for LOP formation. Additionally, the genetic analysis also demonstrated that SHR expression is regulated by a MP-mediated auxin signalling pathway through a pair of AuxRE motifs present in the SHR promoter. Interestingly, further genetic and molecular analyses revealed that SCL23 physically interacts with the homeodomain TF WUS in the organizing center (OC) to maintain shoot stem cell homeostasis, and that together SCL23 and WUS expression is subject to negative feedback regulation from stem cells by the CLV pathway. Overall, the findings identify a novel uncharacterized function of SHR-SCR-SCL23-JKD gene regulatory network in which the convergence of SHR signaling pathway and WUS-CLV loop control the communication between the center and the periphery of the SAM in Arabidopsis. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 08.03.2023 | |||||||
| Dateien geändert am: | 08.03.2023 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 30.11.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 31.01.2022 |
