Universität zu Köln

The SBP-Box Gene SPL8 Affects Reproductive Development and Gibberellin Response in Arabidopsis

Zhang, Yan (2005) The SBP-Box Gene SPL8 Affects Reproductive Development and Gibberellin Response in Arabidopsis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Plant development requires a precise and dynamic regulatory network, in which transcription factors play major roles by temporally and spatially regulating gene expression. The SBP-box genes encode a group of plant-specific transcription factors, highly conserved in their DNA-binding domain, but quite heterogeneous outside. Gain- or loss-of-function of several SBP-box genes, including Maize LIGULELESS1 and Teosinte glume architecture1, Arabidopsis SPL3, SPL8, and SPL14, display diverse developmental defects, indicating that they function in different developmental processes. The work presented in this thesis aimed to uncover the role of the Arabidopsis SBP-box gene SPL8 in plant development and to integrate its function in an existing regulatory network. This has been achieved through the application of molecular genetic, biochemical and microscopic techniques. As deduced from its semi-sterile loss-of-function phenotype, previous studies have shown that SPL8 affects reproductive development. Remarkably, and extensively described in this thesis, SPL8 gain-of-function also caused sterility. However, unlike the loss-of-function mutant in which anther development is defective at early stage of sporogenesis, gain-of-function affects fertility through the non-dehiscence of anthers. Furthermore, constitutive SPL8 expression resulted in a pleiotropic phenotype partly resembling gibberellin-deficient mutants. Although some phenotypical changes could be rescued by exogenous GAs, seed germination, root elongation and fertility could not. Molecular data indicated that genes involved in GA biosynthesis/response are affected in SPL8 overexpressing lines, suggesting altered endogenous GA levels. Because SPL8 is assumed to encode a transcription factor, its nuclear targeting has also been briefly explored using GFP fusion constructs. Within the SBP-domain, a highly conserved serine residue has been predicted to be a target for phosphorylation. Mutation of this serine residue had a great impact on the subcellular localization of SPL8, suggesting the involvement of post-transcriptional regulation in its function. To obtain additional information on the regulatory network, SPL8 might be integrated in, a yeast two-hybrid screen was performed. Many putative SPL8 interacting proteins could be identified. The functions of most of these are unknown or predicted to be involved in general cellular activities and therefore not very helpful to clear the function of SPL8. For two putative interactors, selected on the basis of their role in gene regulation and expression pattern, respective mutant plants could be obtained. However, the absence of obvious mutant phenotypes allowed no further conclusions concerning the relevance of their interaction with SPL8. The experiments in this thesis investigated the role of SPL8 in plant development. Taken the results together, it could be proposed that SPL8 acts as a local regulator in a subset of GA-mediated developmental processes, positively in anther development, but negatively in seed germination and root elongation. Further studies, aiming at the identification of target genes and genetic interactions with other GA-signaling components, are needed to deepen our understanding of the role SPL8 plays in these more defined aspects of plant development.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Entwicklung der Pflanze verlangt ein präzises und dynamisches regulatorisches Netzwerk, in welchem Transkriptionsfaktoren eine bedeutende Rolle bei der zeitlichen und räumlichen Regulation von Genexpression spielen. Die SBP-Box Gene codieren für eine Gruppe pflanzenspezifischer Transkriptionsfaktoren, die eine hochkonservierte DNA-Bindedomäne besitzen, aber nur eine geringe Konservierung außerhalb dieser Domäne. Gewinn- oder Verlustmutationen von verschiedenen SBP-Box Genen, einschließlich LIGULELESS1 und Teosinte glume architecture1 in Mais und SPL3, SPL8 und SPL14 in Arabidopsis, zeigen mannigfaltige Defekte in der Entwicklung. Diese weisen auf eine Rolle der SBP-Box Gene in verschiedenen Entwicklungsprozessen hin. Das Ziel dieser Arbeit ist, die Rolle des Arabidopsis SBP-Box Gens SPL8 während der Pflanzenentwicklung aufzudecken und es in die existierenden regulatorischen Netzwerke zu integrieren. Unter Anwendung von molekular genetischen und biochemischen Techniken und der Mikroskopie wurde dieses Ziel erreicht. Anhand früherer Studien an der SPL8 Verlustmutante, die einen partiell sterilen Phänotyp zeigt, wurde die Beeinflussung der reproduktiven Entwicklung durch SPL8 gezeigt. Bemerkenswerterweise, und ausführlich in dieser Arbeit beschrieben, zeigt die SPL8 Gewinnmutante auch Sterilität. Während in der Verlustmutante die Antherenentwicklung in einem frühen Stadium der Sporogenese gestört ist, beeinflusst die Gewinnmutation die Fertilität durch fehlende Dehiszenz der Antheren. Weiterhin resultiert die konstitutive Expression von SPL8 in einem pleiotropen Phänotyp, der teilweise die phänotypischen Merkmale von Gibberellin-defizienten Mutanten widerspiegelt. Durch exogene Zugabe von Gibberellinsäure können einige dieser phänotypische Merkmale wiederhergestellt werden, exogene Gibberellinsäure zeigt aber keinen Effekt auf Samenkeimung, Wurzelstreckung und Fertilität. Molekularanlytische Daten aus der SPL8 Gewinnmutation weisen auf eine Beteiligung von Gene hin, die auf Gibberellinsäure reagieren und an ihrer Biosynthese beteiligt sind. Dies lässt einen veränderten endogenen Gibberellinsäurespiegel vermuten. Da SPL8 vermutlich ein Transkriptionsfaktor ist, wurde die nukleäre Lokalisation anhand von GFP Fusionskonstrukten untersucht. In der SBP-Domäne gibt es ein konserviertes Serin, das phosphoryliert werden könnte. Mutationen in diesem Serin wirken sich drastisch auf die subzelluläre Lokalisation von SPL8 aus, was auf eine posttranskriptionelle Regulation hinweist. Um mehr Information über die regulatorischen Netzwerke, an denen SPL8 beteiligt ist, zu bekommen, wurde ein Hefe-zwei-hybrid Screen durchgeführt. Viele putativ mit SPL8 interagierende Proteine wurden identifiziert. Allerdings sind die Funktionen der meisten unbekannt oder sie spielen eine generelle Rolle in zellulären Aktivitäten. Die identifizierten Proteine konnten daher zur Aufklärung der Funktion von SPL8 nicht beitragen. Anhand ihrer Rolle in der Regulation von Genen und ihres Expressionsmuster wurden zwei putative Interaktoren ausgewählt und die jeweiligen mutanten Pflanzen beschafft. Diese zeigten keinen offensichtlichen Phänotyp und brachten somit keine weiteren Erkenntnisse über die Bedeutung der Interaktion der identifizierten Proteine mit SPL8. In dieser Arbeit wurde die Rolle von SPL8 während der Pflanzenentwicklung untersucht. Abschließend kann gesagt werden, dass SPL8 in ausgewählten Gibberellinsäure-vermittelten Prozessen als lokaler Regulator wirkt. Positiv im Falle der Antherenentwicklung, negative bei der Samenkeimung und Wurzelstreckung. Um unser Verständnis für SPL8 und dessen Rolle während der Pflanzenentwicklung zu vertiefen, werden weitere Studien zur Identifikation der Zielgene und der genetischen Interaktionen mit weiteren Komponenten des Gibberellinsäure Signalwegs benötigt.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Zhang, Yanyzhang@mpiz-koeln.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-15899
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    SPL8, gibberellin, reproductive, developmentEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: 2005
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 01 November 2005
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 21 Nov 2005 08:55:56
    Referee
    NameAcademic Title
    Saedler, HeinzProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1589

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