Dokument: Evolution of C3-C4 intermediate photosynthesis in Brassicaceae

Titel:	Evolution of C3-C4 intermediate photosynthesis in Brassicaceae
Weiterer Titel:	Evolution von C3-C4 intermediärer Photosynthese in Brassicaceae
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=68174
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250127-112355-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Triesch, Sebastian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 16,33 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 20.01.2025 / geändert 20.01.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter] Prof. Kopriva, Stanislav [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Plant species with C3-C4 intermediate photosynthesis can be seen as stable Interim stages on the evolutionary path towards the efficient C4 photosynthesis. These species show an increased number of plastids in bundle sheath cells that are organized around the leaf veins in a Kranz-like anatomy. Moreover, C3-C4 intermediate species can utilize the glycine shuttle between the mesophyll and bundle sheath cells, a Carbon concentrating mechanism that proportionally decreases the oxygenation reaction of Rubisco and thereby reduces flux through the costly photorespiratory pathway. Like all complex traits, C3-C4 intermediate photosynthesis relies on the spatially differentiated expression of genes, especially between mesophyll and bundle sheath cells. With the goal to unravel the genetic background of C3-C4 intermediate photosynthesis, we analyzed the cell specific gene expression and its underlying functional genetics in the Brassicaceae family that contains model species as well as crop plants. In the bona fide first single-nuclei transcriptome study for a C3-C4 intermediate plant, we found a significant recruitment of gene expression from mesophyll to bundle sheath cells. Especially the expression of genes involved in photorespiratory glycine decarboxylation was shifted to bundle sheath cells. Using a pan-genomic association study, we correlated this expression shift to the insertion of transposable elements in the upstream region of the GLDP1 gene. This insertion is a large convergent evolutionary event in a polyphyletic clade of species with C3-C4 intermediacy. We showed in vivo that the transposon integration contributes mechanistically to the GLDP1 expression shift to the bundle-sheath cells, presumably in coordination with other unknown genetic and epigenetic factors. Our results shed light on the mechanistic of the early steps in the evolution of C3-C4 intermediate photosynthesis in the Brassicaceae family, especially on the genetics of bundle sheath cell specificity. Pflanzenarten mit C3-C4 intermediärer Photosynthese können als stabile Zwischenstufen auf dem evolutionären Weg zur effizienten C4-Photosynthese betrachtet werden. Diese Arten zeigen eine erhöhte Anzahl von Plastiden in Bündelscheidenzellen, die um die Blattadern in einer Art Kranz-Anatomie angeordnet sind. Darüber hinaus können C3-C4 intermediäre Arten einen Glycin-Shuttle zwischen Mesophyll- und Bündelscheidenzellen nutzen, einen Kohlenstoffkonzentrationsmechanismus, der die Reaktion von Rubisco mit Sauerstoff proportional verringert und somit die energieaufwändige Photorespiration reduziert. Die C3-C4 intermediäre Photosynthese beruht auf räumlich differenzierter Genexpression, insbesondere zwischen Mesophyll- und Bündelscheidenzellen. Mit dem Ziel, die genetischen Grundlagen der C3-C4 intermediären Photosynthese zu entschlüsseln, analysierten wir die zellspezifische Genexpression und deren zugrunde liegende funktionelle Genetik in der Familie der Brassicaceae, die sowohl Modellarten als auch Nutzpflanzen umfasst. In der unseres Wissens nach ersten Einzelzelltranskriptom-Studie einer C3-C4 intermediären Pflanze fanden wir eine signifikante Rekrutierung der Genexpression von Mesophyll- zu Bündelscheidenzellen. Insbesondere die Expression von Genen, die an der photorespiratorischen Glycindecarboxylierung beteiligt sind, verlagerte sich in die Bündelscheidenzellen. Mit Hilfe einer pan-genomischen Assoziationsstudie wurde diese Expressionsverschiebung mit der Insertion von Transposons in den upstream-Bereich des GLDP1-Gens korreliert. Diese Insertion stellt ein signifikantes konvergentes evolutionäres Ereignis in einer polyphyletischen Klade von Arten mit C3-C4-intermediärer Photosynthese dar. Wir zeigten in vivo, dass die Transposon-Integration mechanistisch zur GLDP1-Expressionsverschiebung in die Bündelscheidenzellen beiträgt, vermutlich in Koordination mit anderen unbekannten genetischen und epigenetischen Faktoren. Unsere Ergebnisse werfen Licht auf die Mechanismen der frühen Schritte in der Evolution der C3-C4 intermediären Photosynthese in der Familie der Brassicaceae, insbesondere auf die Genetik der Bündelscheidenzellspezifität.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	27.01.2025
Dateien geändert am:	27.01.2025
Promotionsantrag am:	31.07.2024
Datum der Promotion:	17.12.2024