Universität zu Köln

Riß, Simone (2009). Isolation and analysis of MPF2-like MADS-box genes from Physaleae and characterization of their cis-regulatory regions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Species with large inflated lantern-like calyces occur in several genera of the family Solanaceae. In Physalis, this morphological novelty has been termed �Chinese lantern� or �Inflated-Calyx-Syndrome� (ICS). It has been shown that in Physalis floridana the MADS-box transcription factor MPF2 is expressed in floral organs, while expression of its ortholog STMADS16 from Solanum tuberosum is solely restricted to vegetative tissues. Expression of MPF2 in floral organs is not only important for formation of the ICS, but also plays a role in male fertility in P._floridana. However, whether the recruitment of this transcription factor into a new context was achieved by changes in cis-regulatory elements or trans-acting factors is not known. Expression of MPF2-like genes in sepals seems to be a plesiomorphic trait in the Physaleae, but in several Iochrominae like Iochroma australe and Dunalia fasciculata secondary losses occurred. This was apparently not the case in its close relative Vassobia breviflora. This project was initiated to provide insights concerning the role of cis-regulatory elements in differential transcriptional regulation of MPF2-like MADS-box transcription factors in Physaleae with an emphasis on the Iochrominae. MPF2-like genes and their upstream and first intron sequences were isolated from several species. Bioinformatic analyses indicated that a short region upstream of the MADS-domain and regions in the first intron were conserved in all studied species and contained several known transcription factor binding sites. Further, I. australe and D. fasciculata shared additional conserved motifs, which were absent in other Physaleae. Functional analysis using promoter::GUS and promoter-intron::GUS fusion constructs in transgenic A. thaliana suggested that the conserved region upstream of the MADS-box might contain cis-elements, which can up-regulate floral expression of MPF2-like genes, while the first intron of I. australe can repress expression in sepals. Thus cis-elements in this region might be responsible for the loss of expression in this species. A more detailed expression study revealed that the spatial patterning of floral expression of MPF2-like genes is much more variable in Iochrominae than expected. Detection of MPF2-like gene expression in mature pollen of several Physaleae species suggests a more common role of these genes in male fertility. Together with further results this gave rise to the hypothesis that initially expression in pollen, improving male fertility, might have been the advantageous and therefore selected trait, while the widespread MPF2-like gene expression in sepals of non-ICS species might have been the result of �hitch-hiking� effects.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Isolierung und Analyse MPF2-ähnlicher MADS-Box Gene aus Physaleae-Arten und Charakterisierung ihrer cis-regulatorischen Bereiche German
Translated abstract:	Abstract Language Viele Genera der Familie der Nachtschattengewächse (Solanaceae) beherbergen Arten, deren stark vergrößerte Kelchblätter eine laternenartige Hüllstruktur ausbilden. Diese morphologische Neuheit wird bei Physalis �Chinesische Laterne� oder auch �Inflated-Calyx-Syndrome� (ICS) genannt. In Physalis floridana wurde gezeigt, dass der MADS-Box Transkriptionsfaktor MPF2 in floralen Organen exprimiert wird, während die Expression des orthologen Gens STMADS16 in Solanum tuberosum auf vegetative Gewebe beschränkt ist. Die Expression von MPF2 in der Blüte spielt nicht nur bei der Laternenbildung eine Rolle, sondern scheint auch ein wichtiger Bestandteil des männlichen Fertilitätsprogramms von P. floridana zu sein. Es ist bisher nicht bekannt, ob die Rekrutierung dieses Transkriptionsfaktors und seine Integration in einen neuen Kontext durch Änderungen in cis- oder trans-regulatorischen Elementen erfolgten. Im Tribus Physaleae scheint es sich bei der Expression von MPF2-ähnlichen Genen in Sepalen um ein plesiomorphes Merkmal zu handeln, welches in einigen Iochrominae-Arten wie Iochroma australe und Dunalia fasciculata wahrscheinlich durch sekundäre Veränderungen wieder verloren wurde. Dies war offensichtlich in der nahverwandten Art Vassobia breviflora nicht der Fall. Das vorgestellte Projekt wurde initiiert, um zu erforschen, welche Rolle cis-Elemente bei der Regulierung der Transkription von MPF2-ähnlichen MADS-Box Transkriptionsfaktoren im Tribus Physaleae und insbesondere im Untertribus Iochrominae spielen. MPF2-ähnliche Gene, ihre stromaufwärts gelegenen putativen cis-regulatorischen Bereiche sowie das erste Intron in der codierenden Sequenz wurden isoliert und mit verschiedenen bioinformatischen Programmen analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass eine kurze Region vor der MADS-Box und weitere Regionen im ersten Intron in allen untersuchten Arten konserviert waren. Diese Regionen enthielten einige bekannte Bindemotive für Transkriptionsfaktoren. Des Weiteren wurden in I. australe and D. fasciculata konservierte Motive gefunden, die in allen anderen untersuchten Physaleae-Arten fehlten. Die funktionelle Analyse mittels Promoter::GUS und Promoter-Intron::GUS Fusions-Konstrukten in transgenen Arabidopsis thaliana-Pflanzen deutete darauf hin, dass die hochkonservierte Region vor der MADS-Box cis-Elemente zu enthalten scheint, welche die Expression des Gens in floralen Organen hochregulieren können, während das erste Intron von I._australe scheinbar die Expression des Gens in Sepalen unterdrücken kann. cis-regulatorische Elemente in diesem Bereich könnten dafür verantwortlich sein. Eine detailliertere Expressionsstudie zeigte, dass die räumliche Ausbreitung der floralen Genexpression in Iochrominae-Arten sehr viel variabler zu sein scheint, als zuvor angenommen wurde. Die Entdeckung von Expression MPF2-ähnlicher Gene in Pollen mehrerer Physaleae-Arten deutete an, dass diese Gene generell eine sehr wichtige Rolle im männlichen Fertilitätsprogramm von Physaleae-Arten spielen könnten. Dieses und weitere Ergebnisse führten zu der Hypothese, dass eventuell primär die Genexpression in Pollen, welche die männliche Fertilität verbesserte, das vorteilhafte und deswegen selektierte Merkmal darstellte, während die auch in ICS-losen Arten recht verbreitete Genexpression in Sepalen ein Ergebnis sogenannter �hitch-hiking�-Effekte sein könnte. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Riß, Simone riss@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-28654
Date:	2009
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language inflated calyx syndrome (ICS) , MPF2-ähnliche Gene , cis-regulatorische Elemente , Physaleae German inflated calyx syndrome (ICS) , MPF2-like genes , cis-regulatory elements , Physaleae English
Date of oral exam:	22 June 2009
Referee:	Name Academic Title Saedler, Heinz Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2865