Universität zu Köln

Analysis of trichome differentiation in Arabidopsis thaliana: From cell fate initiation to cell death

Bouyer, Daniel (2004) Analysis of trichome differentiation in Arabidopsis thaliana: From cell fate initiation to cell death. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In der folgenden Dissertationsarbeit habe ich mich mit Zelldifferenzierungsprozessen anhand der Blatthaarentwicklung der Modellpflanze Arabidopsis thaliana beschäftigt. Der Zelltyp �Trichom� eignet sich besonders um entwicklungsbiologische Fragestellungen wie beispielsweise die Initiation eines bestimmten Zellschicksals, die Generierung eines geordneten Abstandsmusters oder auch die Prozesse hinsichtlich der Ausbildung einer streng festgelegten dreidimensionalen Zellform zu untersuchen. In meiner Arbeit habe ich einige dieser Aspekte untersucht. Daher unterteile ich meine Ausführungen in die beiden Abschnitte Morphogenese (Untersuchung der Ausbildung einer bestimmten Zellform) und Trichom-Musterbilding (�pattern formation�; Analyse der Prozesse, die für die Zellschicksalsfestlegung der Blatthaare aus anfänglich nicht unterscheidbaren Zellen notwendig sind). Im Kapitel Morphogenese habe ich mich mit zwei Mutanten beschäftigt, die Störungen der Ausbildung der Zellform aufweisen. In normalen, sogenannten wildtypischen (WT) Blatthaaren wachsen die Zellen aus der Blattoberfläche aus und bilden anschließend ein stereotypisches Verzweigungsmuster. In der stichel-Mutante (sti) ist die Entstehung der Verzweigungen vollständig gestört, d.h., es entstehen keine Verzweigungen mehr. Es konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass das STI-Gen diesen Prozess in einer Dosis-abhängigen Art reguliert. Eine Reduzierung der STI-Aktivität führt demnach zu einer Reduktion der Verzweigungen und eine Erhöhung zu einer vermehrten Verzweigung. Daneben legte die Klonierung des STI-Gens durch Hilmar Ilgenfritz eine Verbindung der Morphogenese mit bestimmten Zell-Zyklus-Prozessen nahe. Frühere Untersuchungen ergaben, dass Trichom-Zellen einen bestimmten Typ von Zellzyklus durchlaufen. Der DNA-Gehalt wird dabei wie bei einer normalen Zellteilung verdoppelt, die Zelle teilt sich jedoch nicht. Dieser Prozess wird als Endoreduplikation oder auch Endoreplikation bezeichnet. Tatsächlich kodiert STI für ein Protein, das Ähnlichkeiten mit einer DNA-Polymerase-Untereinheit besitzt, also mit einem Enzym, das maßgeblich an der Synthese von DNA während des Zellzyklus beteiligt ist. Allerdings konnte weder eine Verminderung des DNA-Gehalts in sti-Mutanten noch eine Erhöhung in Pflanzen, die STI vermehrt produzieren, beobachtet werden. Die weitere Analyse zeigte jedoch, dass STI zu einer phylogenetisch separierten Gruppe von Proteinen gehört, die bislang nur in Pflanzen gefunden wurde und wahrscheinlich nicht in direktem Zusammenhang mit den DNA-Polymerase-Untereinheiten steht. Diese Vermutung wurde weiter untermauert durch die Beobachtung, dass das STI-Protein nicht im Kern, also dem Ort der DNA-Synthese, sondern an den zukünftigen Verzweigungspunkten der Trichome gefunden wurde. STI scheint also direkt an der Ausbildung der Verzweigungen beteiligt zu sein. Die zweite Morphogenese-Mutante (cpr5), die von mir in dieser Arbeit untersucht wurde, ähnelt sti insofern, als auch hier eine starke Reduktion der Trichom-Verzweigung zu beobachten ist. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass es hierbei, im Gegensatz zu sti, zu einer Reduktion des DNA-Gehalts in den Trichomen der cpr5-Mutante kommt. Die weitere Analyse ergab, dass es in cpr5 zu einem Absterben der Trichome kommt, was auch in anderen Teilen der Pflanze beobachtet wurde. Daneben weist cpr5 ein vermindertes Wachstum auf und scheint in mehreren Prozessen gestört zu sein. Gemeinsam mit Viktor Kirik wurde das CPR5-Gen kloniert und es zeigte sich, dass es für ein Protein unbekannter Funktion kodiert. Die Proteinstruktur lässt keine genaueren Vermutungen über die molekulare Funktion von CPR5 zu. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentriere ich mich auf die Prozesse der Ausbildung des regelmäßigen Abstandsmusters der Trichome zueinander. Dabei war vor allem eine Komponente dieses Musterbildungssystems, das TTG1-Gen, noch nicht genauer charakterisiert. Ich konnte die Aktivität des TTG1-Gens in zellulärer und zeitlicher Auflösung anhand von Promoter-GUSAnalysen aufzeigen und die Lokalisation des TTG1-Proteins innerhalb der Zelle klären. Dabei zeigte sich, dass TTG1 überall in der Zone der Trichom-Musterbildung exprimiert wird und dass das Protein anfänglich überwiegend in den Kernen und mit zunehmender Entwicklung des Blattes überwiegend im Cytoplasma der Zellen zu finden ist. Allerdings behalten die Trichome die Lokalisation von TTG1 in den Kernen über ihre gesamte Entwicklung hinweg bei. Daneben konnte ich zeigen, dass TTG1 nicht-zellautonom wirkt und das Protein zwischen Zellen mobil ist. Diese Mobilität scheint auch für das Zustandekommen eines regelmäßigen Musters wichtig zu sein. Dies wird offensichtlich wenn die Mobilität des Proteins gestört oder gar verhindert wird, wobei es zu schwerwiegenden Störungen des Musters kommt.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    In the following PhD thesis I studied cell differentiation processes of leaf hairs, trichomes, in Arabidopsis thaliana. This cell type is very well suited for the analyses of the initiation of a certain cell fate, the generation of a regular spacing pattern or the processes that are required for the formation of a three-dimensional cell form. In my thesis I have investigated several of these aspects. Therefore this work is subdivided into the sections trichome morphogenesis (analysis of the formation of a certain cell form) and trichome pattern formation (analysis of the processes that are important for the commitment and the generation of a spacing pattern of a certain cell type that is derived from initially equal cells). In the chapter morphogenesis I studied two mutants that show defects in the generation of the trichome-cell form. A typical trichome in Arabidopsis grows out of the leaf surface and forms three branches in a highly stereotypical manner. In the stichel (sti) mutant the development of these branches is completely abolished. Previous genetic analysis and my studies suggest that STI acts in this process in a dosagedependent manner. A reduction of STI activity leads to a reduction in branch number and a elevated STI activity leads to an increase in branch number. The cloning of the gene suggested a connection between morphogenesis and a certain kind of the cell cycle, called endoreduplication or endoreplication. This process leads to DNA-synthesis as observed in the usual cell cycle, however without division, which results in a higher DNA content in the cell. In fact STI encodes for a protein with sequence similarities to a DNA-Polymerase subunit, an enzyme that is involved in DNA-synthesis during the cell cycle. However neither sti mutants nor plants that ectopically express STI show changes in the DNA content. The further analysis showed that STI belongs to a group of proteins that is separated from the conventional DNA-polymerase subunits. This assumption was supported by the observation that the STI protein is not found in the nucleus, the place of DNA-synthesis, but at the future branch initiation point in trichomes. Therefore STI seems to play a direct role in the formation of the trichome branches. The second morphogenesis mutant (cpr5) that was subject of my work, resembles sti with respect to the reduction of trichome branches. However in contrast to sti, the DNA-content is reduced in the cpr5 mutant. Moreover, during further development the trichomes in cpr5 die, a process thatis also observed in other parts of the mutant plant. Beside this, cpr5 is also impaired in the proliferation and growth and seems to be defective in several aspects. Together with Viktor Kirik the CPR5 gene was cloned and shown to encode a novel protein with unknown function. In the second part of my thesis I examined the processes that control the formation of a regular trichome spacing pattern on the leaf surface. An important component of this patterning system, TTG1, was investigated in more detail. I could reveal the temporal and spatial activity of the gene in promoter-GUS analyses and the localisation of the protein in the cell. This revealed that TTG1 is expressed throughout the entire trichome-patterning zone and that the protein changes its localisation from predominantly nuclear in the early leaf-development to more cytoplasmatic during further development of the epidermal cells. However trichomes keep the nuclear localisation throughout their development. Moreover it was shown that TTG1 acts non-cellautonomous and that the TTG1-protein is able to move between cells. This transport seems to be important for the generation of the spacing pattern, which is reflected by the patterning defects if the protein-mobility is impaired or even completely blocked. In the latter case the pattern is strongly impaired. These observations are summarised into a model to explain the early patterning events during trichome differentiation.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Bouyer, Danieldaniel.bouyer@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-15516
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Trichom , Arabidopsis , Musterbildung , MorphogeneseGerman
    trichome , arabidopsis , patterning , morphogenesisEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Botanisches Institut
    Language: German
    Date: 2004
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 10 November 2004
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 14 Sep 2005 11:51:52
    Referee
    NameAcademic Title
    Hülskamp, MartinProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1551

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