Universität zu Köln

Sapala, Aleksandra (2018). Growth and biomechanics of plant epidermal cells. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Since plant cells are encased in rigid cell walls, approaching them as physical systems is necessary to fully understand the multi-level mechanisms controlling developmental processes. Therefore, in my thesis I tried to combine physical and biological methods to study the morphogenetic processes in the plant epidermis. I quantified growth of the Arabidopis thaliana sepal, an elliptical floral organ which is comprised of small, square cells and large, elongated ‘giant cells’ randomly interspersed between the small ones. I detected a wave of high anisotropic growth (growing predominantly in one direction): along the proximo-distal starting at the tip of the sepal, gradually moving to its base as the organ develops. Interestingly, replacing the giant cells with files of small cells (observed in the lgo mutant) does not change the overall growth rate tendencies. In contrast, the Arabidopsis cotyledon, which has a round shape, grows much more isotropically (at the same rate in all directions), even though its cells have very elaborate, jigsaw puzzle-like shapes. I used Cellular Force Microscopy (CFM) to measure stiffness (or, indirectly, turgor pressure) of sepal cells. A Finite Element Method (FEM) mechanical model showed that observed differences in measured stiffness values between small and giant cells can be explained by cell geometry. Furthermore, using osmotic treatments I demonstrated in vivo that the cell wall is softer in the fast-growing areas than in the slow-growing areas. By comparing osmotic treatment results in wild type and the ftsh4 mutant, I speculated that Reactive Oxygen Species play an important role in cell maturation by locally stiffening the cell wall. Finally, I focused on more complex cell shapes as I employed genetic engineering, cell growth and shape quantification and computational modelling to answer the question why epidermal cells in leaves and cotyledons make jigsaw puzzle-like shapes. Cell shapes are adjusted to growth direction according to self-enhancing growth restriction, as proven by a growing mechanical model. I proposed puzzle cells minimize mechanical stress on the cell wall and therefore prevent it from bursting or needing to introduce additional structural reinforcements. Finally, I demonstrated several lines of evidence that plants of different cell shape and size, as well as different species, have an active mechanism of keeping this stress low. Taken together, my results contribute to the understanding of the role of cell shape in the epidermal tissue. They also provide novel input on mechanical properties of the cell wall during growth supported by in vivo experiments performed using state-of-the-art biomechanical methods.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Da Pflanzenzellen in starren Zellwänden eingeschlossen sind, ist es notwendig, sie als physikalische Systeme zu betrachten, um die Mechanismen, die die Entwicklungsprozesse auf verschiedenen Ebenen steuern, vollständig zu verstehen. In meiner Doktorarbeit kombiniere ich physikalische und biologische Methoden, um diese morphogenetischen Prozesse in der Pflanzenepidermis zu untersuchen. Ich quantifizierte das Wachstum des Arabidopis thaliana Sepalum (Kelchblatt), eines elliptischen Blütenorgans, das aus kleinen, quadratischen Zellen und großen, länglichen Riesenzellen besteht, die zufällig zwischen den kleinen Zellen eingestreut sind. Ich entdeckte einen Bereich mit hohem anisotropen Wachstum (hauptsächlich in einer Richtung wachsend) entlang der proximo-distalen Achse, welcher sich wie eine Welle beginnend an der Spitze des Kelchblattes allmählich zur Basis bewegt, wenn sich das Organ entwickelt. Interessanterweise ändert sich das beobachtete Wachstum nicht, wenn die Riesenzellen durch kleine Zellen ersetzt werden (beobachtet in der lgo-Mutante). Im Gegensatz dazu wächst das rund geformte Keimblatt (Kotyledone) sehr viel isotroper (mit gleicher Geschwindigkeit in allen Richtungen), obwohl seine Zellen sehr komplexe Formen, ähnlich den von Puzzleteilen, haben. Ich verwendete Cellular Force Microscopy (CFM), eine Methode um physikalische Größen wie die Formsteifigkeit oder indirekt den Turgordruck von Pflanzenzellen zu messen, um die Eigenschaften der Kelchblattzellen zu bestimmen. Ein mechanisches Modell der Finite- Elemente-Methode (FEM) zeigte, dass beobachtete Unterschiede in den gemessenen Steifigkeiten zwischen kleinen und großen Zellen durch die Zellgeometrie erklärt werden können. Darüber hinaus demonstrierte ich in vivo mit osmotischen Behandlungen, dass die Zellwand in den schnell wachsenden Bereichen weicher ist als in den langsam wachsenden Bereichen. Durch den Vergleich der Ergebnisse der osmotischen Behandlung mit dem Wildtyp und der ftsh4-Mutante spekulierte ich, dass reaktive Sauerstoffspezies eine wichtige Rolle bei der Maturation der Zellen spielen, indem sie die Zellwand lokal versteifen. Schließlich beschäftigte ich mich mit komplexeren Zellformen, indem ich Gentechnik, Zellwachstum, Formquantifizierung sowie Computermodelle einsetzte, um die Frage zu beantworten, warum epidermale Zellen in Blättern und Keimblättern puzzleartige Formen bilden. Die Zellformen werden gemäß selbstverstärkender Wachstumsbeschränkung an die Wachstumsrichtung angepasst, wie durch ein mechanisches Modell bewiesen wird, welches das Zellwachstum simuliert. Ich habe vorgeschlagen, dass die Form der puzzleartigen Zellen die mechanische Belastung der Zellwand minimiert und verhindert, dass sie platzen oder zusätzliche strukturelle Verstärkungen benötigen. Abschliessend zeige ich auf, dass verschiedene Arten von Pflanzen mit unterschiedlichen Zellformen und -größen einen aktiven Mechanismus haben diesen Stress niedrig zu halten. Zusammengefasst tragen meine Ergebnisse zum Verständnis der Rolle der Zellform im Epidermisgewebe bei. Sie liefern auch neue Informationen über mechanische Eigenschaften der Zellwand während des Wachstums, unterstützt durch in vivo Experimente, die mit modernsten biomechanischen Methoden durchgeführt wurde. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Sapala, Aleksandra sapalaa@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-86082
Date:	16 July 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language morphogenesis, epidermis, development, Arabidopsis English
Date of oral exam:	3 September 2018
Referee:	Name Academic Title Tsiantis, Miltos Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8608