Universität zu Köln

Biochemical and genetic responses in cuticular mutants

Voisin, Derry Frederique (2008) Biochemical and genetic responses in cuticular mutants. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The cuticle layer is essential for maintaining organ integrity and protecting plants against biotic and abiotic stresses present in their natural environment. Arabidopsis thaliana mutants with a defective cuticle layer may help to precisely determine which genes are actually taking part in the formation of the cuticle. The functions of some cuticular genes seem to be conserved between monocots and dicots as we could complement the Arabidopsis fiddlehead (fdh) mutant with the barley allele of the FDH gene. In addition to a defective cuticle, fdh, bodyguard (bdg), lacerata (lcr) and the novel htm Arabidopsis mutant show ectopic organ fusions and other developmental phenotypes. As the isolation of pure cutin from cuticular mutants is not doable, we analysed the cell wall bound lipid composition from leaves of the fdh and lcr mutants. As a consequence of fdh and lcr mutations, a significant increase in cutin monomer amount takes place. Even though FDH and LCR enzymes have very different functions, similar alterations in cell wall bound lipid composition were observed in their mutants. As it was observed in bdg earlier, we could also show that both fdh and lcr accumulated more wax. Even though each of these three mutants has its own particularities that, mutations in three genes coding for so different enzymes trigger similar phenotypical alterations was quite unexpected. This brought us to study the compensatory response to cuticular damage and to compare the transcriptome of mutants using microarrays. This analysis supports the idea that plants are able to compensate for cuticle defects specifically altering gene expression. We characterised the expression pattern of the recently cloned HTM gene using promoter and protein fusion reporter constructs. We found that the HTM gene is epidermis specific, and is particularly strongly expressed in petals and sepals. This goes well in hand with the phenotype of the htm mutant which is characterised by postgenital organ fusion within floral buds. The bound lipid analysis revealed that whereas htm deposits similar quantity of monomers on its outer cell wall, there is a shift in monomer proportions. The wax composition of this mutant was not found different from that of the wild type but a global decrease of 20% was observed. Thus it is more likely that HTM is indirectly involved in wax and cutin biosynthesis. We also characterised insertion lines in genes putatively involved in cutin biosynthesis, respectively encoding an aldehyde dehydrogenase, an epoxide hydrolase-like enzyme, and a member of the α/β hydrolase-fold super family.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Kutikula ist essentiell, um Organintegrität zu bewahren, und sie schützt Pflanzen vor biotischem und abiotischem Streß von außen. Arabidopsis thaliana Mutanten mit einer defekten Kutikula könnten genutzt werden, um Gene zu identifizieren, die an der Biosynthese der Kutikula beteiligt sind. Die Funktionen einiger Kutikulagene scheinen in monokotyledonen und dikotylendonen Pflanzen konserviert zu sein, da die Arabidopsis fiddlehead (fdh) Mutante mit dem FDH Gen von Gerste komplementiert werden konnte. Außer einer defekten Kutikula, zeigen fdh, bodyguard (bdg), lacerata (lcr) und die hier neue htm Arabidopsis Mutante ektopische Organfusionen und weitere Entwicklungsphänotypen. Da eine Isolierung des reinen Kutins aus Arabidopsis nicht möglich ist, wurden zellwandgebundene Lipide von Blättern von fdh und lcr analysiert. Mutationen in LCR und FDH führen zu signifikanten Erhöhungen des Anteils an Kutinmonomeren. Obwohl FDH und LCR sehr unterschiedliche Funktionen besitzen, wurden ähnliche Änderungen der zellwandgebundene Lipide nachgewiesen. Ähnlich wie es in bdg vorher beschrieben war, wurde auch eine Wachsakkumulation in fdh und lcr festgestellt. Unerwartet war die gleichartige Änderung der Kutinmonomere in den drei Mutanten, da die drei Enzyme sehr unterschiedlich sind. Um Kompensierungsmechanismen von Pflanzen mit defektem Kutin genauer zu verstehen, wurde das Transkriptom der Mutanten und des Wildtyps mit Hilfe von Microarrays verglichen. Die Analyse bestätigte die Vermutung, daß diese drei Mutanten eine spezifische Modifizierung der Gen-Expression aufweisen. Das kürzlich klonierte HTM wurde durch das Expressionsmuster mit Hilfe von Promoter- und Protein-Reporterkonstrukten charakterisiert. Es wurde rausgefunden, daß HTM epidermisspezifisch ist, und daß es besonders stark in Blütenblättern und in Kelchblättern exprimiert wird. Das Expressionsmuster paßt gut zu dem beobachteten Phänotyp von htm, da die Mutante postgenitale Organfusionen in der Blüte aufweist. Die Analyse der zellwandgebundenen Lipide zeigte, daß die htm Mutante ähnliche Mengen an Kutin-Monomeren auf ihrer Zellwand ablagert wie der Wildtyp, aber daß es eine Verschiebung im Anteil der unterschiedlichen Monomere gibt. Die Ergebnisse der Wachsanalyse von htm war dervom Wildtyp sehr ähnlich, abgesehen von einer allgemeinen Abnahme von 20%. Deshalb ist es wahrscheinlich, daß HTM auf indirektem Wege in der Kutin- und Wachs- Biosynthese involviert ist. Wir haben auch insertione Linien in Genen, die wahrscheinlich in der Kutinbiosynthese involviert sind, charakterisiert. Die kodieren jeweils für eine Aldehyd-Dehydrogenase, ein Epoxid-Hydrolase ähnliches Enzym und für einen Angehörigen der α/β-Hydrolase-Familie.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Voisin, Derry Frederiquevoisin@mpiz-koeln.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-26163
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Kutikula , Arabidopsis , fiddlehead , bodyguard , lacerataGerman
    cuticle , Arabidopsis , fiddlehead , bodyguard , lacerataEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 12 February 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 18 Feb 2009 14:59:53
    Referee
    NameAcademic Title
    Saedler, HeinzProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2616

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