Dokument: Establishing genome editing in amaranth to understand the betalain pathway regulation and investigate its evolution

Titel:	Establishing genome editing in amaranth to understand the betalain pathway regulation and investigate its evolution
Weiterer Titel:	Etablierung der Genom-Editierung bei Amaranth, um die Regulation des Betalain-Stoffwechselwegs zu verstehen und dessen Evolution zu untersuchen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73787
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260703-161550-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Vollmer, Susanne Katja [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 47,24 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 02.07.2026 / geändert 02.07.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Stetter, Markus G. [Gutachter] Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter]
Stichwörter:	amaranth, betalain, MYB transcription factors, transformation, CRISPR/Cas9, evolution
Dokumententyp (erweitert):	Dissertation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Betalaine sind mehrfach evolvierte, spezialisierte pflanzliche Metabolite, welche eventuell wichtige Funktionen bei der pflanzlichen Stressreaktion haben, aber auch verschiedene Anwendungen in der Lebensmittelindustrie. Während die Enzyme des zentralen Stoffwechselwegs schon bekannt sind, wissen wir nur wenig über ihre molekulare Regulation. Ein Grund dafür ist, dass Betalain auf die Ordnung der Caryophyllales beschränkt sind, für die es generell nur unzureichende Ressourcen gibt. Der erste Teil dieser Dissertation präsentiert die Etablierung von zentralen Methoden für Amaranthus hypochondriacus L., eine „Weisennutzpflanze“ mit großer Diversität an Betalainfärbungen. Zuerst wurden mehrere stabile und transiente Transformationsmethoden entwickelt, darunter eine für Kallusgewebe mit einer Transformationseffizienz von bis zu 100%. Des Weiteren wurde die erste gezielte Mutagenese mittels CRISPR/Cas9 in Amaranth gezeigt, bei der erreicht wurde, gleichzeitig zwei Zielgene in etwa 25% aller Proben zu editieren. Diese leistungsfähigen Methoden ermöglichten, die Untersuchung der Betalainregulation in Amaranth, welche im zweiten Teil der Dissertation beschrieben ist, beginnend mit der Identifizierung von AhMYB2, einem Homolog des Anthocyanin-Regulators AtPAP1, als positivem Regulator für die gewebespezifische Betalainregulation. Zusätzliche heterologe Assays haben dann gezeigt, dass die ersten beiden Enzyme des Stoffwechselweges (AhCYP76AD2 und AhDODAα1) die hauptsächlichen Ziele der Regulation sind und dass AhMYB2 ihre Expression hochreguliert. Im Gegensatz zu AtPAP1, suggerieren die Daten, dass AhMYB2 nicht in MYB-bHLH-WD40-Komplexen agiert, sondern stattdessen einen anderen betalainspezifischen Transkriptionsfaktor (TF) benötigt. Vielversprechende Kandidaten, einschließlich WRKY-, ERF-, bZIP- und NAC-TFs wurden durch RNA-Sequenzierung identifiziert. Abschließend, wurden die Ergebnisse mit denen der Literatur verknüpft, um ein mögliches Modell für die evolutionäre Entstehung der AhMYB2-gesteuerten Betalainregulation vorzuschlagen. Hypothetisierend, dass eine der zwei ursprünglichen anthocyaninregulierenden PAP1-Genkopien kooptiert und zur Ansteuerung von Betalaingenen angepasst wurde, erklärt eventuell, warum beide Pigmente einander ausschließen. Dies wird unterstützt durch mehrere konservierte Aminosäuren, spezifisch für PAP1-Homologe von Betalain-produzierenden Pflanzen, welche in der Nähe von Aminosäuren lokalisiert wurden, die bekanntermaßen wichtig für die DNA-Bindung sind, was auf ein geändertes Erkennungsmotiv hindeutet. Die präsentierten Ergebnisse und Protokolle werden die Betalainforschung und die Züchtung des trockenheitstoleranten C4 Körner-Amaranth fördern. Zukünftige Studien, welche die Wirkungsweise in anderen Betalainursprüngen und die Integration von anderen Signalwegen in die Betalainregulation aufdecken, könnten eventuell Einsichten in die Evolution von Genregulationsnetzwerken von de-novo-evolvierten Stoffwechselpathway geben. Betalains are repeatedly evolved, colored plant specialized metabolites that might have important functions in plant response to stresses but also various applications for the food industry. While the enzymes of the core pathway have been identified, only a little is known about its molecular regulation. One reason is that betalains are restricted to the order Caryophyllales, which generally lacks sufficient resources. The first part of this thesis presents the establishment of key methods for Amaranthus hypochondriacus L., an orphan crop with a high diversity of betalain pigmentation. First, various stable and transient transformation methods were developed, including one for callus tissue with a transformation efficiency of up to 100%. Furthermore, the first targeted mutagenesis using CRISPR/Cas9 in amaranth was demonstrated, achieving multiplexed editing of two target genes in approximately 25% of all samples tested. These powerful methods enabled the investigation of the betalain regulation in amarnath, which is described in the second part of the thesis, starting with the identification of AhMYB2, a homolog of anthocyanin regulator AtPAP1, as a positive regulator for the tissue-specific betalain regulation. Additional heterologous assays then showed that the first two enzymes in the pathway (AhCYP76AD2 and AhDODAα1) are the main target for regulation and that AhMYB2 upregulates their expression. In contrast to AtPAP1, the data suggest that AhMYB2 does not function in MYB-bHLH-WD40 complexes but instead requires a different betalain-specific transcription factor (TF). Promising candidates, including WRKY, ERF, bZIP, and NAC TFs, were identified using RNA sequencing of transgenic calli. Finally, the results were combined with the literature to propose a model of how the AhMYB2-mediated betalain regulation might have evolved. Hypothesizing that one of the two ancestral anthocyanin-regulating PAP1 gene copies had been co-opted and adapted to target betalain genes, while the other copy has been lost, might explain the mutual exclusiveness of both pigments. This is supported by multiple conserved amino acids specific to PAP1 homologs of betalain-producing species, which were located close to known residues important for DNA binding, suggesting a changed recognition motive. The presented results and protocols will advance betalain research and breeding of the drought-tolerant C4 grain amaranth. Future studies uncovering the betalain regulation in other origins and the integration of other signaling pathways might provide insight into the evolution of gene regulatory networks for de novo evolved pathways.
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:	03.07.2026
Dateien geändert am:	03.07.2026
Promotionsantrag am:	04.03.2026
Datum der Promotion:	03.06.2026