Universität zu Köln

Schäfer, Barbara Nicole (2011). Identifizierung und Charakterisierung neuer Verzweigungsregulatoren durch Verwendung natürlicher Variation in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die Sprossarchitektur höherer Pflanzen wird hauptsächlich durch die Aktivität des Sprossapikalmeristems (SAM) festgelegt. Dieses bestimmt während der pflanzlichen Entwicklung die Bildung von Blättern entlang der Sprossachse und die Initiation lateraler Meristeme (AM) in Achseln der Blätter, zur Bildung sekundärer Wachstumsachsen. Die Initiation axillärer Meristeme wird in Arabidopsis durch zwei, partiell redundante Stoffwechselwege über die Gene LATERAL SUPPRESSOR (LAS) und REGULATOR OF AXILLARY MERISTEM (RAX) reguliert. Dabei ist die Funktion von LAS essentiell für die Anlage von AMs während der vegetativen Entwicklung und las Mutanten bilden keine Seitentriebe aus Rosettenblattachseln. Zur Identifizierung neuer Verzweigungsregulation wurde die natürlich vorkommende, genetische Variation verschiedener Arabidopsis Ökotypen in einem sogenannten „second-site modifier screen“ genutzt. Hierfür wurde die las Mutante im Ökotyp Columbia zu sechs verschiedenen Ökotypen gekreuzt und die las homozygoten F2 Nachkommenschaften phänotypisch charakterisiert. In fünf der sechs F2 Populationen konnte ein verstärkter las Verzweigungsdefekt in Stängelblattachseln ermittelt werden und ausgewählte F2 Kandidaten wurden für Rückkreuzungen mit dem las Elter verwendet. Die Analyse der segregierenden BC1F1 Populationen zeigte eine Korrelation zwischen dem verstärkten las Verzweigungsdefekt und einem spätblühenden Phänotyp, insbesondere in Populationen aus Kreuzungen mit den Ökotypen Kyoto und C24. Nachkommen der Kreuzung las/C24 zeigten insgesamt die stärksten Defekte in der Anlage von Lateralmeristemen und wurden für weitere Analysen verwendet. Die Grobkartierung des verantwortlichen Locus unter Verwendung eines AtSNPtile1 Array, sowie die weitere Feinkartierung in BC3F2 Populationen, identifizierte fünf Kandidatengene in einer 13kb Region im oberen Bereich des kurzen Arms auf Chromosom IV und beinhaltete den dominanten Blühzeitpunktregulator FRIGIDA (FRI). In Arabidopsis wird die Regulation des Blühzeitpunkts maßgeblich durch die Interaktion der Regulatoren FLOWERING LOCUS C und FRI beeinflusst, wobei FRI positiv die Expression von FLC reguliert und dadurch die Blühinduktion vor der Vernalisation verhindert. Im Columbia Hintergrund der las Mutante ist diese Interaktion unterdrückt, da Columbia nur ein aktives FLC, jedoch ein inaktives FRI Allel trägt. Um den Einfluss von FRI auf die Anlage von Lateralmeristemen zu untersuchen, wurden las und las rax1 Mutanten zu der Linie FRI (SF-2) in Columbia gekreuzt, die aktive FRI Allele aus dem Ökotyp San Feliu-2 besitzt. Homozygote Nachkommen der Kreuzung zeigten kein von las abweichendes Verzweigungsmuster. Die verzögerte Blühinduktion durch Interaktion von FRI und FLC per se ist somit nicht für einen Verzweigungsdefekt während der reproduktiven Entwicklung verantwortlich. Pflanzen der Linie las rax1 FRI hingegen zeigten eine nahezu vollständige Unterdrückung der Initiation axillärer Meristeme entlang der Sprossachse. Für weitere Analysen wurden las und las rax1 Mutanten zusätzlich zu mutanten Allelen der Blühzeitpunktregulatoren constans und leafy gekreuzt. Mutationen in CONSTANS führten zu keinem veränderten Verzweigungsmuster der las Mutante, wohingegen las rax1 co Dreifachmutanten die gleichen Defekte in der Anlage von Lateralmeristemen widerspiegelten wie Pflanzen der Linie las rax1 FRI. Im Gegensatz zu Pflanzen der Mutanten las FRI und las co, ließen las lfy Doppelmutanten eine enorme Verstärkung des las Verzweigungsdefekts in Stängelblattachseln während der reproduktiven Entwicklung erkennen (siehe auch Clarenz, 2004). RNA-in-situ- Hybridisierungen und quantitative Real-Time-PCR Analysen des R2R3 Myb-Transkriptionsfaktors RAX1 zeigten, dass die erhöhte RAX1 Expression nach der Blühinduktion abhängig ist von der Funktion des Transkriptionsfaktors LEAFY. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass die Initiation axillärer Meristeme während der reproduktiven Entwicklung durch einen dritten Stoffwechselweg reguliert wird, welcher durch die Aktivität von Blühzeitpunktregulatoren wie FRIGIDA, über LEAFY die Aktivität von Verzweigungsregulatoren wie RAX1 und LAS steuert.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language The aerial architecture of higher plants is mainly determined by the activity of the shoot apical meristem (SAM), which controls the formation of leaves and the initiation of axillary meristems (AM) in axils of newly formed leaf primordia. In Arabidopsis, two partially redundant pathways are described for the initiation of AMs mediated through functions of LATERAL SUPPRESSOR (LAS) and REGULATOR OF AXILLARY MERISTEM FORMATION (RAX). The function of LAS is essential for AM initiation during vegetative development and las mutants in Arabidopsis lack side shoot formation in rosette leaf axils. To identify new shoot branching regulators involved in the process of axillary meristem formation, a second-site modifier screen was used. Therefore, the las mutant in the Columbia background was crossed to six different naturally occurring A. thaliana wild accessions. Five out of six las homozygous F2 populations displayed an enhanced las branching defect after floral transition in the axils of cauline leaves, and enhancer candidates were backcrossed to the las mutant parent. In the segregating BC1F1 populations, a correlation was found between the enhanced las branching defect and a late flowering phenotype, especially in combinations with the accessions Kyoto (Kyo) and C24. Populations of las/C24 showed the most striking branching defects and were further analyzed. Rough mapping of the gene responsible for the enhanced las branching defect was performed on an AtSNPtile1 array using a BC1F2 population. Fine mapping of BC3F2 populations identified five candidate genes in a 13kb region at the top of chromosome IV, including the dominant flowering time regulator FRIGIDA (FRI). In Arabidopsis, flowering time is mainly controlled by the genetic interaction of FLOWERING LOCUS C (FLC) and FRI, in which FRI positively controls FLC expression resulting in inhibition of flowering before vernalization. The las mutant in the Columbia background carries an active FLC, but an inactive fri allele. To investigate the influence of FRI on AM formation, las single and las rax1 double mutants were crossed to FRI (SF-2) in Columbia, which carries an active FRI allele of the ecotype San Feliu-2. The interaction of active FRI and active FLC alleles in the las mutant background did not lead to an altered las branching pattern in las FRI plants, showing that “late flowering” per se is not sufficient to cause defects in AM initiation during reproductive development. In contrast to plants homozygous for las FRI, the line las rax1 FRI displayed an almost complete loss of AM formation in the growing shoot. To obtain a better understanding of the role of flowering time regulators in the process of AM formation, las single and las rax1 double mutants were additionally combined with mutant alleles of the flowering time genes CONSTANS (CO) and LEAFY (LFY). The constans mutation had no effect on AM formation in the background of las, whereas the triple mutant las rax1 co phenocopied the branching defect of las rax1 FRI plants. In contrast to las FRI and las co plants, the double mutant las lfy displayed a strong enhancement of the las branching defect in cauline leaf axils during reproductive development (see also Clarenz, 2004). Studies on transcript accumulation of RAX1 using RNA in situ hybridization and quantitative real-time PCR experiments showed that upregulation of RAX1 after floral transition is dependent on LEAFY function. In summary, these findings suggest a regulation of axillary meristem initiation during reproductive development by a third pathway, which is controlled by flowering time regulators that act through the transcription factor LEAFY on branching regulators such as RAX1 and LAS. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schäfer, Barbara Nicole schaefer@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-47724
Date:	5 December 2011
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Arabidopsis thaliana, LATERAL SUPPRESSOR, FRIGIDA, Lateralmeristem German
Date of oral exam:	23 January 2012
Referee:	Name Academic Title Theres, Klaus Prof. Dr. Werr, Wolfgang Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4772