Universität zu Köln

Spatz, Ilsa ORCID: 0000-0001-5065-8757 (2024). Lignin Patterning in Cardamine hirsuta fruit. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Seed dispersal is important for plant fitness and adaptations for dispersal are ubiquitous in nature. Cardamine hirsuta uses an explosive mechanism for seed dispersal. A key innovation for this trait was the evolution of a polar pattern of secondary cell wall (SCW) deposition in endocarpb cells of C. hirsuta fruit. To gain genetic insight into this SCW patterning, I conducted a mutant screen. I recovered multiple alleles of known developmental regulators in C. hirsuta, indicating that I achieved good genome coverage using EMS as a chemical mutagen. I found that few mutants altered the polar pattern of SCW deposition in endocarpb cells. More commonly, I identified mutants with additional, ectopic lignin in endocarpb cells. This included several mutants with thick, lignified SCWs in ectopic positions that partially mirrored the endogenous polar pattern. I characterized the ectopic lignin and fruit morphology of two mutants in more detail: asymmetric leaves1 (as1), which encodes a previously described Myb transcription factor, and the newly identified mutant pat63. I mapped pat63 to chromosome 6 using a bulked segregant mapping-by-sequencing approach. I used fine-mapping to further map pat63 to a position 1.6 cM from a marker located at 7.6 Mb on chromosome 6. I found that NST3 gene expression was significantly upregulated in fruit valves of as1 mutants. NST3 encodes an important transcription factor for secondary cell wall biosynthesis. Using CRISPR/Cas9, I generated knock-out mutants of NST3 and the paralogous gene NST1. I found that both genes control SCW deposition in endocarpb cells, since double mutants lacked SCWs. NST1 plays a more important role than NST3, since nst1 mutants mostly lacked SCW in endocarpb cells. NST3 is expressed in both lignified endocarpb cells and non-lignified cells of the fruit valve, and is sufficient to cause ectopic lignin when upregulated in these cells. I also found that strong upregulation of SCW biosynthesis was sufficient to alter the polar pattern of SCW deposition in endocarpb cells. In summary, I identified new regulators of endocarpb SCW patterning and found that genes known to regulate SCW biosynthesis have an important input into patterning.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Lignin Struktur in Cardamine hirsuta Frucht German
Translated abstract:	Abstract Language Die Ausbreitung von Samen ist wichtig für die Fitness von Pflanzen, und Anpassungen an die Ausbreitung sind in der Natur weit verbreitet. Cardamine hirsuta nutzt einen explosiven Mechanismus für die Samenverbreitung. Eine Schlüsselinnovation für dieses Merkmal war die Entwicklung eines polaren Musters der sekundären Zellwand (SCW) in den endocarpb Zellen der Frucht von C. hirsuta. Um einen genetischen Einblick in diese SCW Muster zu erhalten, führte ich ein Mutantenscreening durch. Ich habe mehrere Allele bekannter Entwicklungsregulatoren in C. hirsuta gefunden, was darauf hindeutet, dass ich mit EMS als chemischem Mutagen eine gute Genomabdeckung erreicht habe. Ich stellte fest, dass in nur wenige Mutanten das polare Muster der SCW in den endocarpb Zellen verändert war. Häufiger fand ich Mutanten mit zusätzlichem, ektopischem Lignin in endocarpb Zellen. Dazu gehörten mehrere Mutanten mit dicken, lignifizierten SCWs in ektopischen Positionen, die das endogene polare Muster teilweise widerspiegelten. Ich charakterisierte das ektopische Lignin und die Fruchtmorphologie von zwei Mutanten genauer: asymmetric leaves1 (as1), das für einen zuvor beschriebenen Myb-Transkriptionsfaktor kodiert, und die neu identifizierte Mutante pat63. Ich kartierte pat63 auf Chromosom 6 mit einem Bulked Segregant Mapping-by-Sequencing-Ansatz. Mit Hilfe der Feinkartierung konnte ich pat63 an einer Position 1,6 cM von einem Marker auf Chromosom 6 (7,6 Mb) abbilden. Ich stellte fest, dass die Expression des Gens NST3 in den Fruchtklappen der as1 Mutanten deutlich erhöht war. NST3 kodiert für einen wichtigen Transkriptionsfaktor für die sekundäre Zellwandbiosynthese. Mit CRISPR/Cas9 erzeugte ich Knock-out-Mutanten von NST3 und dem paralogen Gen NST1. Ich fand heraus, dass beide Gene die Ablagerung von SCW in endocarpb Zellen kontrollieren, da dort den Doppelmutanten SCWs fehlten. NST1 spielt eine wichtigere Rolle als NST3, da den NST1 Mutanten in den endocarpb Zellen meist SCW fehlte. NST3 wird sowohl in lignifizierten endocarpb Zellen als auch in nicht-lignifizierten Zellen der Fruchtklappe exprimiert und reicht aus, um ektopisches Lignin zu verursachen, wenn es in diesen Zellen hochreguliert wird. Ich fand auch heraus, dass eine starke Hochregulierung der SCW-Biosynthese ausreicht, um das polare Muster der SCW in endocarpb Zellen zu verändern. Zusammenfassend habe ich neue Regulatoren der SCW-Musterung in endocarpb Zellen identifiziert und festgestellt, dass Gene, von denen bekannt ist, dass sie die SCW-Biosynthese regulieren, in die Musterung einfließen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Spatz, Ilsa ispatz@mpipz.mpg.de orcid.org/0000-0001-5065-8757 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-736705
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Lignin English Cardamine hirsuta English lignin patterning English fruit development English seed dispersal English explosive seed dispersal English secondary cell wall English cell wall polarity English plant English
Date of oral exam:	20 September 2024
Referee:	Name Academic Title Hay, Angela Dr. Kopriva, Stanislav Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73670