Regulation of the floral transition at the shoot apical meristem of Arabidopsis as studied by genetics and next generation sequencing

Torti, Stefano (2010). Regulation of the floral transition at the shoot apical meristem of Arabidopsis as studied by genetics and next generation sequencing. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Der Vorgang bei welchem Angiospermen von vegetativem Wachstum zur Bildung von Blüten übergehen wird als Übergang zur Blüte („floral transition“) bezeichnet. Dieser entwicklungsbiologische Vorgang ist von großer Bedeutung und wird streng durch ein genetisches Netzwerk reguliert, wobei einige Komponenten des Netzwerkes auf Umweltfaktoren reagieren. Arabidopsis thaliana blüht früher unter Langtagbedingungen (LD) des Frühlings als unter den Kurztagbedingungen (SD) des Winters. Die Tageslänge oder Photoperiode ist einer der wichtigsten Umweltfaktoren welcher die Blühantwort beeinflusst. Die Photoperiode wird über die Blätter wahrgenommen während der Übergang zur Blüte im apikalen Sprossmeristem (SAM) stattfindet. Unter Langtagbedingungen wird eine genetische Kaskade im Leitgewebe des Blattes angestoßen, woraufhin ein Schlüsseltranskriptionsregulator mit dem Namen CONSTANS das Gen mit dem Namen FLOWERING LOCUS T (FT) und sein Homolog TWIN SISTER OF FT (TSF) aktiviert. Das FT Protein wird daraufhin durch das Phloem transportiert und erreicht schlussendlich das SAM wo es den Übergang zur Blüte auslöst. Durch Bildung eines Komplexes mit FD, einem bZIP Transkriptionsfaktor, aktiviert FT Zielgene wie SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO (SOC1), FRUITFULL (FUL) und später APETALA1 (AP1), welche für MADS-Box Transkriptionsfaktoren codieren. Der Übergang zur Blüte erfordert jedoch im SAM eine dramatische Neuprogrammierung der Transkriptionsvorgänge. Ein vollständiges Bild der Genexpression welche spezifisch im SAM stattfindet fehlt bislang. Daher wurden im ersten Teil dieser Arbeit apikale Sprossmeristeme durch Lasersezierung aus Pflanzen ausgeschnitten, welche von SD nach LD überführt worden waren. RNA, welche aus den Meristemen isoliert worden war, wurde in cDNA umgeschrieben und die Genexpression durch Next-Generation Sequencing durch RNA-seq quantifiziert. Die Gene wurden nach gesteigerter oder verringerter Expression sortiert, wobei ein besonderes Augenmerk auf neue Gene gelegt wurde deren Expression ähnlich der von SOC1 und FUL gesteigert wurde. Ein Teil dieser Gene wurde über in situ Hybridisierung in Wildtyp-Apizes getestet um ihre Aktivierung im SAM zu bestätigen und ihr räumliches Expressionsmuster aufzuklären. Für mehrere neue Gene konnte die Induktion durch Transfer der Pflanzen in LD bestätigt werden; auch zeigten sie spezifische räumliche Expressionsmuster in zahlreichen Regionen des apikalen Sprossmeristems. Es wurden auch Apizes von ft tsf Doppelmutanten hybridisiert um aufzudecken ob die neuen Gene an der von der Photoperiode abhängige Kaskade folgend auf FT/TSF beteiligt sind. Während viele Gene ähnlich wie SOC1 nur in Anwesenheit von FT/TSF induziert wurden, fanden sich erstaunlicherweise auch Gene welche auch in ft tsf Doppelmutanten noch auf die Photoperiode reagierten. Dies legt nahe, dass zusätzliche unbekannte Signale eine Rolle in der Antwort auf eine induzierende Tageslänge unabhängig von FT und TSF spielen. In der vorliegenden Arbeit werden auch weitere Untersuchungen neuer Gene beschrieben. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden genetische Ansätze verwendet um die Funktion von SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP), einem Blührepressor aus der MADS-Box Familie, zu untersuchen. Hierbei wurden neue Interaktionen mit die Blüte fördernden Genen und spezifische Rollen des SVP Gens in Blättern und Meristem aufgedeckt.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

The floral transition is the process by which flowering plants switch from vegetative growth to the production of flowers. Consistent with the importance of this developmental transition, flowering is highly regulated through several genetic pathways, some of which respond to environmental cues. Arabidopsis thaliana flowers earlier under long-days (LD) of spring than under short-days (SD) of winter, and day-length, or photoperiod, is one of the most important environmental stimuli influencing the flowering response. Photoperiod is perceived in the leaves, while the floral transition occurs at the shoot apical meristem (SAM). In LD, a genetic cascade is activated in the leaf vasculature, so that a key transcriptional regulator called CONSTANS activates the genes FLOWERING LOCUS T (FT) and its homolog TWIN SISTER OF FT (TSF). FT protein is then transported through the phloem, eventually reaching the SAM, where it triggers the floral transition. By forming a complex with FD, a bZIP transcription factor, FT activates target genes, such as SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO (SOC1), FRUITFULL (FUL) and later APETALA1 (AP1), all of which encode MADS-box transcription factors. However, the floral transition involves a dramatic transcriptional reprogramming of the shoot meristem, and a complete picture of the global changes in gene expression occurring specifically in the SAM is still missing. Therefore, in the first part of this work, SAMs were specifically collected by the use of laser microdissection from plants experiencing a shift from SD to LD. RNA isolated from the meristems was converted to cDNA and gene expression quantified through next-generation sequencing by RNA-seq. Genes were grouped according to those increased or reduced in expression, with a particular focus on novel genes that were up-regulated similarly to SOC1 or FUL. Among them, the expression of a selected set of genes was tested by in situ hybridisation on wild-type apices to confirm their activation at the SAM, and to uncover their spatial pattern of mRNA expression. Several novel genes were confirmed to be induced by transferring plants to LD and they showed specific spatial patterns of expression in various regions of the SAM. Moreover, apices of ft tsf double mutants were also hybridised, to reveal whether those genes are induced by the photoperiodic cascade downstream of FT/TSF. Surprisingly, while many genes were induced only in the presence of FT/TSF, similarly to SOC1, some of them still respond to photoperiod in the ft tsf double mutants, suggesting that additional unknown signals may play a role in response to inductive day-length independently of FT and TSF. Further preliminary studies on a set of these novel genes are described in this study. In the second part, genetic approaches were employed to address the function of SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP), which encodes a floral repressor of the MADS-box family, demonstrating new interactions with floral promoter genes and distinct roles of the SVP gene in the leaves and in the meristem.

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