Universität zu Köln

Ungru, Alexander H. (2011). Analysis of communication pathways during seed development in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Seed development in flowering plants requires coordination between the two genetically different fertilization products, the embryo and the endosperm and the surrounding maternal tissues, the integuments. However, little is known about the coordination of endosperm and embryo growth. In Arabidopsis, mutations in the cell cycle regulator CYCLIN DEPENDENT KINASE A;1 (CKDA;1) result in pollen that only successfully fertilizes the egg cell and seeds generated from crosses with cdka;1 pollen develop endosperm with solely maternal contribution. Here, fertilization by the cdka;1 mutant pollen was used to dissect early seed development. Crosses of 14 Arabidopsis accessions pollinated with cdka;1 mutant pollen revealed a large natural genetic variation with regard to the development of endosperm without paternal contribution. This work revealed a surprisingly large degree of autonomy in embryo growth, but also showed the embryo’s growth restrictions with regard to endosperm size. By using a recombinant inbred line population between the two Arabidopsis accessions Bayreuth-0 and Shahdara four QTLs were discovered, two main and four complex loci that influence the development of unfertilized endosperm. The genes of two DNA N-glycosylases ROS1 and DME, which catalyze the demethylation of symmetrical cytosine methylation, lay inside the two intervals of one of the two complex QTLs. A functional analysis revealed a new aspect of ROS1 and DME in restricting the proliferation of unfertilized endosperm. Moreover, ros1-dme double mutants could rescue the observed seed abortion upon cdka;1 pollination dependent on the activity of the methyltransferase MET1 during the sporophytic phase. Surprisingly, the rescue was independent of dme co-transmission, indicating an effect of ros1 together with dme in trans. The inheritance pattern of the mutant phenotypes revealed a paramutation-like phenomenon and the detection of almost 100% relative methylation levels on PHE1 and AGL36 sequence loci in ros1-dme double compared to the single mutants and Col-0 wild-type plants suggested that hypermethylation caused the mutant phenotype. The observed hypermethylation is likely to be established by in trans interactions between homologous DNA sequences on different chromosomes in a dominant paternal manner. These findings confirm previous results that endosperm formation is, beside other factors, triggered by the alteration of methylation levels prior to fertilization. Furthermore, DNA methylation patterns can probably be transferred via the paternal gametes, influencing not only the epigenetic status of the sporophyte, but also of the following gametophyte and affecting seed development after subsequent fertilization.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Während der Samenentwicklung in Blütenpflanzen müssen die einzelnen Entwicklungsprozesse des Embryos, des Endosperms und der umgebenen maternal, sporophytischen Integumenten, die von genetisch unterschiedlichem Ursprung sind, untereinander abgestimmt werden. Bisher ist nur wenig über die Koordination zwischen endospermalen und embryonalen Wachstum bekannt. In Arabidopsis entsteht auf Grund von Mutationen im Zellzyklusregulatorgens “CYCLIN DEPENDENT KINASE A;1” (CKDA;1)’ Pollen, der nur die Eizelle befruchtet. Die Samen, die aus der Kreuzung mit cdka;1 entstehen, beinhalten rein maternales Endosperm. In dieser Arbeit wurde cdka;1 mutanter Pollen zur Entschlüsselung der einzelnen Prozesse während der frühen Samenentwicklung verwendet. Kreuzungen von 14 Arabidopsis Ökotypen mit cdka;1 mutanten Pollen wiesen eine breite genetische Varianz in Hinblick auf Endospermentwicklung ohne paternalen Genombeitrag auf. In den hierdurch entstandenen Samen lief die embryonale Entwicklung zunächst autonom ab, wurde jedoch später durch die Menge an endospermalen Nuklei beschränkt. Sechs Komponenten, die die Entwicklung von unbefruchtetem Endosperm beeinflussen, wurden in einer QTL Analyse unter Verwendung einer rekombinanten Inzuchtpopulation zwischen den beiden Arabidopsis Ökotypen Bayreuth-0 und Shadara entdeckt. Insgesamt wurden vier QTLs detektiert, die von zwei haupt und vier komplexen Loci gebildet wurden. Die Gene zweier DNA N-Glykosylasen ROS1 und DME, die die Demethylierung von symmetrischen Cytosinmethylierungen katalysieren, lagen in den Intervallen von einem der zwei komplexen QTLs. Durch eine phänotypische Analyse konnte ein neuer funktionaler Aspekt von ROS1 und DME in der Beschränkung der Proliferation von unbefruchtetem Endosperm gezeigt werden. ros1-dme Doppelmutanten retteten den durch cdka;1 Befruchtung hervorgerufenen Samenabort in Abhängigkeit von der Aktivität der DNA Methyltransferase MET1 während der sporophytischen Entwicklungsphase. Die fehlende Co-Transmission des mutanten dme Allels in den geretteten Samen wies auf einen ‚Trans-Effekt’ durch ros1 und dme hin. Eine nähere Untersuchung ergab, dass der mutanten Phänotyp in einer segregierenden Population paramutationsähnlich vererbt wurde. Auf Grund der Messung von fast 100% relativem Methylierungsgehalt auf Sequenzabschnitten von PHE1 und AGL36 in ros1-dme Doppel- im Vergleich zu Einzelmutanten und Col-0 Wildtyppflanzen wurde Hypermethylierung als Ursache für den mutanten Phänotyp angenommen. Diese Hypermethylierung wurde wahrscheinlich durch Trans-Interaktionen zwischen homologen DNA-Sequenzen auf unterschiedlichen Chromosomen in paternal dominanter Art und Weise hervorgerufen. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse bestätigen vormalige Ergebnisse, dass Endospermentwicklung unter anderen durch die Veränderung des Methylierungslevels vor der Befruchtung beeinflusst werden kann. Darüber hinaus deuten die gewonnen Erkenntnisse darauf hin, dass paternale DNA-Methylierungsmuster übertragen werden können. Die vorliegenden Daten zeigen, dass vermutlich nicht nur der epigenetische Status des Sporophyten, sondern auch der des hierauf folgenden Gametophyten und die Samenentwicklung nach erfolgter Befruchtung von paternaler Seite beeinflussbar sind. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Ungru, Alexander H. UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-44021
Date:	24 October 2011
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Arabidopsis thaliana; seed development; autonomous endosperm; DME; ROS1; Demethylation; Methylation; Endosperm development English
Date of oral exam:	16 November 2010
Referee:	Name Academic Title Hülskamp, Martin Prof. Dr. Höcker, Ute Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4402