Universität zu Köln

Quodt, Vanessa (2006). Molecular analyses of Physcomitrella patens MIKCc-type MADS-box genes establish an evolutionary context in plants. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

MADS-box genes encode a family of highly conserved transcription factors involved in numerous developmental processes in higher eukaryotes. While the members of this transcription factor family have a mostly tissue-specific expression pattern in seed plants, MADS-box genes in non-seed plants show broad expression domains often comprising the gametophytic as well as the sporophytic phase of the plant life cycle. Their functions in non-seed plants remain elusive, although a number of genes could be isolated and characterized from lycophytes, pteridophytes, bryophytes and green algae. To investigate MADS-box genes in a representative of early land plants, the moss Physcomitrella patens was selected. PPMC1 and PPMC2 are two out of six members of the small Physcomitrella patens gene family of MIKCc-type MADS-box genes. While their transcripts are detected equally during all stages of the P. patens life cycle, translational reporter gene fusions reveal distinct expression patterns in both generations of the moss life cycle. In addition to a weak ubiquitous signal, PPMC2 shows strong expression in both male and female gametangia of the gametophyte as well as in the haustorium of the diploid sporophyte. As a major suspect of regulation, the unusually long 5� UTR with features known to be involved in translational activation or repression was investigated. However, replacement of the PPMC2 5� UTR by the 5� UTR of the Antirrhinum gene DEFICIENS in a promoter::GUS fusion disproved regulation on the translational level and, instead, confirmed transcriptional regulation. The translational reporter gene fusion of PPMC1 provides evidence that the protein is first expressed in the apices of gametophores carrying mature gametangia. Later, developing sporophytes show broad protein distribution that is gradually restricted to the upper half of the short seta in older stages and finally disappears. Several gene disruption lines have been generated to help reveal the functions of PPMC1 and PPMC2, but so far no obvious phenotype has been detected. Furthermore, a translational reporter gene fusion of PPMC2 in a PPMC1 gene disruption background convincingly supports that the genes are non-redundant. Based on these findings, putative functions for PPMC1 and PPMC2 in the moss are discussed. The genes likely participate in UV-light protection or sink tissue definition in both generations of the moss life cycle, however, gene functions may have diverged between the haploid and the diploid generation. These findings strongly support the hypothesis of MADS-box gene recruitment from the gametophyte into the sporophyte during the evolution of land plants.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language MADS-Box-Gene kodieren für eine hochkonservierte Familie von Transkrip¬tionsfaktoren, die zahlreiche Entwicklungsprozesse in höheren Eukaryoten steuern. Während die Mitglieder dieser Genfamilie in Samenpflanzen meist eine gewebe¬spezifische Expression aufweisen, sind die Expressionsdomänen in samenlosen Pflanzen eher breit und umfassen sowohl die gametophytische als auch die sporophytische Phase des Lebenszyklusses. Die Funktionen der MADS-Box-Gene in samenlosen Pflanzen sind noch nicht aufgeklärt, obwohl einige Gene aus Lycophyten, Pteridophyten, Bryophyten und Grünalgen isoliert und charakterisiert wurden. Um MADS-Box-Gene in einem Repräsentanten früher Landpflanzen zu untersuchen, wurde das Laubmoos Physcomitrella patens ausgewählt. PPMC1 und PPMC2 sind zwei von sechs Genen aus der Familie der MIKCc-Typ MADS-Box-Gene aus Physcomitrella patens. Während die Transkripte dieser Gene in jedem Stadium des Physcomitrella-Lebenszyklusses nachgewiesen wurden, ist es gelungen, anhand translationaler Reportergenfusionen zu zeigen, dass sie sowohl in der haploiden als auch in der diploiden Generation definierte Expressionsmuster besitzen. Neben einem schwachen ubiquitären Signal weist PPMC2 starke Expression in den männlichen und weiblichen Gametangien des Gametophyten sowie im Fuß des diploiden Sporophyten auf. Da der 5� UTR ungewöhnlich lang ist und außerdem zahlreiche, für translationale Kontrolle typische Eigenschaften besitzt, wurde seine potenzielle Beteiligung an einem Regulationsmechanismus untersucht. Jedoch wider¬legte der Austausch des PPMC2 5� UTR durch den 5� UTR des Gens DEFICIENS aus Antirrhinum in einer Promotor-GUS-Fusion eine Regulation auf Translationsebene und bestätigte stattdessen Transkriptionsregulation. Mittels einer translationalen Reportergenfusion konnte PPMC1 in den Apices gametangientragender Gametophoren und in jungen Sporophyten nachgewiesen werden. Während das Protein in jungen Sporophyten mit Ausnahme des Fußes nahezu ubiquitär exprimiert wird, konzentriert es sich im reifenden Sporophyten in der oberen Hälfte der Seta und ist schließlich nicht mehr nachzuweisen. Um die Funktionen der Gene PPMC1 und PPMC2 zu klären, wurden mehrere Verlustmutantenlinien hergestellt. Bisher wurde jedoch kein deutlicher Phänotyp identifiziert. Durch eine translationale Reportergenfusion von PPMC2 in einem PPMC1-mutanten Hintergrund konnte, zusätzlich zu den voneinander abweichenden Expressionsmustern, Redundanz der beiden Gene ausgeschlossen werden. Basierend auf diesen Ergebnissen werden potenzielle Funktionen von PPMC1 und PPMC2 im Moos diskutiert. Möglicherweise sind sie am Schutz vor schädlicher UV-Strahlung oder an der Definition von �Sink�-Gewebe in beiden Generationen des Lebenszyklusses von Physcomitrella beteiligt; zudem könnten sich in den beiden Generationen voneinander abweichende Funktionen entwickelt haben. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen die Hypothese, nach welcher MADS-Box-Gene während der Evolution aus dem Gametophyten in den Sporophyten rekrutiert wurden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Quodt, Vanessa quodt@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-19779
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Physcomitrella , MADS English
Date of oral exam:	13 February 2007
Referee:	Name Academic Title Saedler, Heinz Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1977