Dokument: „Einblicke und evolutionären Mechanismen der C3-C4-intermediären Photosynthese in Brassicaceae: ein Genomischer und Physiologischer Ansatz“
| Titel: | „Einblicke und evolutionären Mechanismen der C3-C4-intermediären Photosynthese in Brassicaceae: ein Genomischer und Physiologischer Ansatz“ | |||||||
| Weiterer Titel: | Insights and Evolutionary mechanisms of C3-C4 intermediate Photosynthesis in Brassicaceae: A Genomic and Physiological approach | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=72038 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20260129-133643-6 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Ferreira Martins Guerreiro, Ricardo Nuno [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter] Prof. Dr. Stich, Benjamin [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Photosynthesis, C3, C4, C3-C4, Genomics | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Diese Dissertation präsentiert eine umfassende genomische und physiologische Untersuchung der C₃-C₄-Intermediärphotosynthese innerhalb der Familie der Brassicaceae. Eine neue Gruppe von Arten, einschließlich 19 neu erstellter Genomassemblierungen sowie C₃-C₄-Typen und eng verwandter C₃-Arten, wurde etabliert und detailliert für Merkmale wie den Kohlenstoffkompensationspunkt, Wassernutzungseffizienz, Blattaderdichte und andere für den C₃-C₄-Phänotyp typische Eigenschaften charakterisiert. C₃-C₄-Arten der Brassicaceae zeigten eine breite Spanne von Kohlenstoffkompensationspunkten, wiesen jedoch keine C₄-ähnlichen Merkmale wie erhöhte Blattaderdichte oder hohe Konzentrationen von C₄-Shuttle-Metaboliten auf. Die metabolischen Profile waren vielfältig, wobei Glycin und Serin in allen C₃-C₄-Arten universell vorhanden waren, während andere Metaboliten, die für den Stickstoffhaushalt wichtig sind, zwischen den Arten variierten. Ein gemeinsames Merkmal aller C₃-C₄-Brassicaceae-Arten war die zentripetale Ansammlung von Organellen in den Bündelscheidenzellen, eine anatomische Anpassung, die wahrscheinlich die CO₂-Aufnahme durch Minimierung von Diffusionsverlusten verbessert. Bemerkenswerterweise weisen C₃-C₄-Brassicaceae unter den aktuellen atmosphärischen Bedingungen keine signifikante Wassernutzungs- oder Stickstoffeffizienz auf.
Die erstellten Genomassemblierungen umfassen qualitativ hochwertige Genannotationen und identifizierten Orthologie zwischen den Arten, was robuste vergleichende Analysen ermöglicht. Gemeinsame physiologische Messungen und phylogenetische Analysen enthüllten einen neuen unabhängigen Ursprung des C₃-C₄-Merkmals in einem Genotyp von Hirschfeldia incana, ein weiteres Beispiel für konvergente Evolution in dieser Familie, das die Relevanz für kommerziell wichtige Arten hervorhebt. Eine zentrale Entdeckung war die differentielle Expression des GLDP-Gens, die für die Initiierung der C₃-C₄-Evolution wesentlich ist. Genomvergleiche identifizierten ein Schlüsselelement im Promotorbereich, dessen vergrößerter Abstand zum GLDP-Gen mit dem C₃-C₄-Phänotyp korreliert und frühere Annahmen in Frage stellt. Veränderungen im upstream-Bereich wurden mit Transkriptionsfaktoren in Verbindung gebracht, was ihre Rolle in der Pflanzenevolution unterstreicht. Diese Methoden können in Zukunft auf andere Gene angewendet werden, um weitere Erkenntnisse aus dem veröffentlichten Artenpanel zu gewinnen. Die Ergebnisse haben bedeutende Implikationen für das Verständnis der photosynthetischen Evolution und bieten eine wertvolle Grundlage zur Verbesserung der Effizienz und Resilienz von Nutzpflanzen. Das Panel von Brassicaceae-Arten dient als wichtige Ressource für zukünftige Forschungen. C₃-C₄-Merkmale bieten nicht nur einen Zwischenschritt zur vollständigen Entwicklung der C₄-Photosynthese, sondern auch eine potenzielle eigenständige Verbesserung für Pflanzen in instabilen Umgebungen und eröffnen vielversprechende Perspektiven für eine nachhaltige Landwirtschaft.This thesis presents a comprehensive genomic and physiological study of C₃-C₄ intermediate photosynthesis within the Brassicaceae family. A new panel of species, including 19 novel genome assemblies and both C₃-C₄ types and close C₃ relatives, was established and meticulously characterized for traits such as carbon compensation point, water-use efficiency, vein density, and other characteristics reflective of the C₃-C₄ phenotype. C₃-C₄ species in Brassicaceae exhibited a wide range of carbon compensation points but lacked C₄-like traits such as increased venation or high concentrations of C₄ shuttle metabolites. Metabolic profiles were diverse, with glycine and serine universally present in all C₃-C₄ species, while other metabolites, important for nitrogen balance, varied between species. A unifying feature across all C₃-C₄ Brassicaceae species was centripetal organelle accumulation in bundle sheath cells, an anatomical adaptation that likely enhances CO₂ uptake by minimizing diffusion losses. Notably, C₃-C₄ Brassicaceae do not exhibit significant water-use or nitrogen efficiencies under current atmospheric conditions but do under reduced carbon atmosphere typical of the past. The genomic assemblies produced include high-quality gene annotations and identified orthology across species, enabling robust comparative analyses. Joint physiological measurements and phylogenetic analysis revealed a new independent origin of the C₃-C₄ trait in a Hirschfeldia incana genotype, marking another example of convergent evolution in this family and highlighting its relevance to commercially important species. A critical discovery involved the differential expression of the GLDP gene, essential for initiating C₃-C₄ evolution. Genomic comparisons identified a key promoter element whose increased distance from the GLDP gene correlates with the C₃-C₄ phenotype, challenging prior assumptions. Alterations in the upstream region were associated with transcription factors, emphasizing their role in plant evolution. These methods can be extended to other genes in the future, leveraging the published panel of species to uncover further insights. The findings have significant implications for understanding photosynthetic evolution and offer a valuable foundation for improving crop efficiency and resilience. The panel of Brassicaceae species serves as a critical resource for ongoing research. C₃-C₄ traits provide not only a steppingstone toward full C₄ development but also a potential standalone improvement for crops in unstable environments, offering a promising avenue for agricultural sustainability. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 29.01.2026 | |||||||
| Dateien geändert am: | 29.01.2026 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 13.03.2025 | |||||||
| Datum der Promotion: | 11.09.2025 |
