Universität zu Köln

Sugliani, Matteo (2008). An analysis of seed longevity in Arabidopsis using modifiers of seed maturation mutants. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Seeds ensure the survival of most land plant species and the conservation of their unique genetic resources. Seed longevity is a quantitative trait that depends on environmental conditions during formation, harvest and storage of seeds and on structures, macromolecules and chemical compounds that protect the embryo. Seed longevity is consequently a complex genetic trait to dissect. Its study requires the identification of factors that result in an improvement or in a reduction of seed longevity. Wild-type seeds of the model plant Arabidopsis remain viable for several years, which makes the study of longevity a time consuming process. An approach to overcome this problem makes use of the seed developmental mutants abi3-5 and lec1-3, that cause rapid seed deterioration. These mutants provide a sensitized genetic background in which the effects of genes influencing longevity can be faster evaluated. The Arabidopsis natural variation for longevity was exploited by crossing several Arabidopsis accessions with abi3-5 and lec1-3 mutants and subsequent selection of lines with improved longevity in the progeny. As a result, various introgression lines carrying natural modifiers alleles were identified. The three natural modifier lines with the strongest effects were selected. One had an introgression of the Seis am Schlern accession in abi3-5 background and two had different introgressions of the Shahdara accession in lec1-3 background. These lines were backcrossed with abi3-5 or lec1-3 to reduce the contribution of wild-type accession�s genome and to map the modifiers. The seed proteome profiles of modifier and mutant lines were studied in relation to longevity. This analysis revealed that the two modifiers from Shahdara could activate the expression of most seed storage proteins in a LEC1-independent way. In addition, four abi3-5 suppressor mutants derived from a mutagenesis screen were studied. In these lines the level of oxidative damage was correlated with seed longevity. The strongest suppressor, suppressor of abi3-5 (sua), reverted all of the abi3-5 mutant phenotypes. Fine mapping and map based cloning revealed that SUA encodes an RNA binding protein. Interestingly, sua only suppressed the abi3-5 allele but did not affect other abi3 alleles. Immunological analysis revealed that abi3-5 seeds contain a truncated abi3 protein which is restored to nearly full length ABI3 protein in the sua abi3-5 double mutant. Analysis of transcripts revealed that the sua mutation causes the splicing of a cryptic intron in ABI3 and the accumulation of a splice variant that repairs the abi3-5 mutation and results in a shorter but functional version of the ABI3 protein. The SUA gene is not directly implicated in seed longevity, but participates in mRNA metabolism processes.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Samen gewährleisten das Überleben von Arten und damit den Erhalt von genetischen Ressourcen. Die Persistenz von Samen ist eine komplexe quantitative Eigenschaft, deren Ausprägung von Umweltbedingungen während der Bildung, Ernte und Lagerung der Samen abhängt. Zusätzlich wird die Samenpersistenz von der Samenstruktur, Makromolekülen und chemischen Verbindungen beeinflusst, die als Schutz des Embryos fungieren. Die Identifizierung von Einflussfaktoren, die zu einer Verbesserung oder Reduktion von Persistenz bei Samen führen, ist dabei für die genetische Analyse notwendig. Wildtyp Samen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sind mehrere Jahre lebensfähig, weshalb die Analyse von Samenpersistenz einen zeitaufwändigen Prozess darstellt. Um dieses Problem zu umgehen, wurden die Samenentwicklungsmutanten abi3-5 und lec1-3 verwendet, in denen ein beschleunigter Alterungsprozess stattfindet. Diese Mutanten bieten damit einen sensibilisierten genetischen Hintergrund, vor welchem der Einfluss von Samenpersistenz regulierenden Genen beschleunigt evaluiert werden kann. Die natürliche Variation von Samenpersistenz in Arabidopsis wurde genutzt, indem abi3-5 und lec1-3 mit verschiedenen Ökotypen gekreuzt und Nachkommen selektiert wurden, die eine verbesserte Persistenz aufwiesen. Drei Modifikator Linien mit dem stärksten Effekt wurden selektiert. Eine der Linien wies eine Introgression des Ökotyps Seis am Schlern in abi3-5 auf, zwei Linien eine Introgression von Shahdara in lec1-Hintergrund. Diese Linien wurden mit abi3-5 und lec1-3 rückgekreuzt, um den Einfluss des jeweiligen Ökotypen-Genoms zu reduzieren und die Modifikatoren zu kartieren. Das Profil des Proteoms der Modifikator-Linien wurde in Zusammenhang mit Samenpersistenz untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Modifikator-Linien von Shahdara, unabhängig von LEC1, die Expression von Samenspeicherproteinen aktivieren. Zusätzlich wurden vier abi3-5 Supressionsmutanten untersucht, die aus einem Mutagenisierungsdurchmusterung hervorgingen. In diesen Linen war eine Korrelation von oxidativen Schäden und Samenpersistenz nachweisbar. Die stärkste Supressormutante (suppressor of abi-5, sua) invertierte alle abi3-5 Phänotypen. SUA wurde mittels Fein-Kartierung und Karten-gestützter Klonierung identifiziert und kodiert ein RNA-bindendes Protein. Der Suppressionseffekt von sua trat allerdings nur spezifisch in Kombination mit dem abi3-5-Allel auf und nicht mit anderen abi3 Allelen. Mittels immunologischer Analyse wurde gezeigt, dass abi3-5-Samen eine verkürzte Form des abi3-Proteins enthielten, wohingegen Samen der Doppelmutante sua-1 abi3-5 ABI3-Protein in minimal reduzierter Größe zur Volllänge aufwiesen. Die Analyse der Transkripte zeigte, dass die sua Mutation das Spleißen eines kryptischen Introns in ABI3 verursacht, wodurch eine Spleißvariante akkumuliert, die zu einer Reparatur der abi3-5 Mutation und zur Bildung einer verkürzten, aber funktionellen ABI3-Isoform führt. Das SUA-Gen ist nicht direkt in der Samenpersistenz involviert, sondern spielt eine Rolle in den Prozessen des mRNA-Metabolismus. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Sugliani, Matteo sugliani@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-27411
Date:	2008
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language seed longevity, ABI3, LEC1, natural variation, RNA processing English
Date of oral exam:	29 June 2008
Referee:	Name Academic Title Koornneef, Maarten Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2741