Dokument: Characterisation of why1‑complemented variants and generation of why2 mutants in barley

Titel:	Characterisation of why1‑complemented variants and generation of why2 mutants in barley
Weiterer Titel:	Charakterisierung von why1-komplementierten Varianten und Erzeugung von why2-Mutanten bei Gerste
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=74243
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260915-091738-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Malkaj, Entela [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 15,63 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 16.08.2026 / geändert 16.08.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Andreas P. M. Weber [Gutachter] Prof. Dr. Krupinska, Karin [Gutachter]
Stichwörter:	WHIRLY1; WHIRLY2; barley; retrograde signalling; abiotic stress; biotic stress
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The development and productivity of plants depend on integrating environmental cues with endogenous regulatory programmes. This integration is particularly critical in crops because abiotic and biotic stresses affect growth and yield by interfering with the functionality of energy producing organelles, i.e. mitochondria and chloroplasts. Chloroplasts and mitochondria play central roles in plants’ responses to stress through retrograde signalling pathways that adjust nuclear transcription in response to organelle function. In addition to metabolite- and redox-based signals, proteins localised in organelles and the nucleus such as WHIRLY1 may act as mobile signalling components, that connect organelles and the nucleus. Transgenic barley plants with altered levels of WHIRLY1 are affected in chloroplast development, stress responses and defence signalling. For comparison, the roles of WHIRLY2 which is targeted to mitochondria remained unknown so far. This study addresses the question, which of the conserved motifs and amino acid residues of WHIRLY1 contribute to its roles in development and stress responses. Homozygous barley lines expressing WHIRLY1 variants with mutations in specific motifs and amino acid residues with proposed roles in DNA binding and redox regulation were generated. In addition, the plastid targeting peptide sequence was removed in one variant. Homozygous complemented lines were characterised under controlled light and temperature conditions, as well as under drought stress and infection with powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. hordei). Loss of the plastid targeting peptide produced the most consistent phenotypic effects. During drought stress, plants lacking plastid-targeted WHIRLY1 exhibited a delayed decline in PSII efficiency and chlorophyll content compared with other variants and the wild type. After inoculation with powdery mildew, these plants had the highest leaf infection. These results indicate that the presence of WHIRLY1 in chloroplasts is required for appropriate responses to stress. To functionally characterize WHIRLY2, CRISPR/Cas9 was used to generate WHIRLY2 knockout mutants (why2) in the barley cultivar 'Golden Promise'. Homozygous mutants of WHIRLY2 with a complete disruption of the gene were not obtained suggesting that complete loss of WHIRLY2 function may compromise the viability of barley plants. Die Entwicklung und Produktivität von Pflanzen hängt von der Integration von Umweltsignalen mit endogenen Regulationsprogrammen ab. Diese Integration ist bei Nutzpflanzen besonders wichtig, da abiotische und biotische Stressfaktoren das Wachstum und den Ertrag beeinträchtigen, indem sie die Funktionalität der energieproduzierenden Organellen, d. h. Mitochondrien und Chloroplasten, beeinträchtigen. Chloroplasten und Mitochondrien spielen eine zentrale Rolle bei der Stressreaktion von Pflanzen durch retrograde Signalwege, die die Transkription im Zellkern als Reaktion auf die Organellenfunktion regulieren. Zusätzlich zu metaboliten‑ und redoxbasierten Signalen können Proteine, die in Organellen und im Zellkern lokalisiert sind, wie z. B. WHIRLY1, als mobile Überträger von Organellensignalen an den Zellkern fungieren. Transgene Gerstenpflanzen mit veränderten Mengen an WHIRLY1 zeigen Veränderungen in der Chloroplastenentwicklung sowie in der Reaktion und Resilienz gegenüber Stress. Im Unterschied zu WHIRLY1 ist die Rolle von WHIRLY2, das in Mitochondrien importiert wird, noch unbekannt. Diese Arbeit befasst sich mit dem Beitrag einzelner konservierter Motive und Aminosäurereste von WHIRLY1 auf dessen Einfluss auf die Chloroplastenentwicklung und das Verhalten gegenüber Stress. Es wurden homozygote Gerstenlinien erzeugt, die WHIRLY1‑Varianten mit Mutationen in bestimmten Motiven und Aminosäureresten exprimieren, denen eine Rolle bei der DNA‑Bindung und der Redoxregulation zugeschrieben wird. Darüber hinaus wurde bei einer Variante die Peptidsequenz entfernt, die für den Import in die Plastiden benötigt wird. Die homozygoten komplementierten Linien wurden unter kontrollierten Licht‑ und Temperaturbedingungen sowie unter Trockenstress und Infektion mit Mehltau (Blumeria graminis f. sp. hordei) charakterisiert. Der Verlust des Plastiden‑Targeting‑Peptids führte zu den schlüssigsten phänotypischen Effekten. Während Trockenstress zeigten Pflanzen ohne Plastiden‑Targeting‑Peptid vor dem WHIRLY1‑Protein im Vergleich zu anderen Varianten und dem Wildtyp einen verzögerten Rückgang der PSII‑Effizienz und des Chlorophyllgehalts. Nach Inokulation mit Mehltau wiesen diese Pflanzen die stärkte Infektionsrate auf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Vorhandensein von WHIRLY1 in Chloroplasten für eine angemessene Stressreaktion erforderlich ist. Um WHIRLY2 funktionell zu charakterisieren, wurden mit CRISPR/Cas9 WHIRLY2‑Knockout‑Mutanten (why2) in der Gerstensorte ‚Golden Promise‘ erzeugt. Da keine homozygoten WHIRLY2‑ Mutanten von mit einer vollständigen Unterbrechung des Gens erhalten wurden, scheint ein vollständiger Verlust des WHIRLY2‑Proteins bei Gerste auch zu einem Verlust der Lebensfähigkeit zu führen.
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:	15.09.2026
Dateien geändert am:	15.09.2026
Promotionsantrag am:	30.04.2026
Datum der Promotion:	06.07.2026