Universität zu Köln

Siddalingappa Balkunde, Rachappa (2011). Trichome patterning in Arabidopsis thaliana: Mechanism and the role of TTG1 depletion/trapping. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Trichome patterning in Arabidopsis thaliana is a potential model system to study two dimensional patterning. Theoretically, lateral inhibition during trichome patterning can be achieved either by active inhibition or by removal of trichome promoting activity (e.g. depletion). Recent data have suggested a role of this activator depletion mechanism in trichome patterning. It was shown that the TTG1 protein is depleted in the trichome surrounding epidermal cells and accumulates in the trichome initials. In this study I focused on the characterization of the molecular mechanism and the role of TTG1 trapping during trichome patterning. I showed that the removal of the bHLH factor GL3 results in the abolition of the TTG1 depletion strongly suggesting that TTG1 depletion is GL3 dependent. Cells expressing high levels of GL3 show a strong positive effect on nuclear localization of the TTG1 protein. GL3 also counteracts the TTG1 mobility both within as well as between the tissue layers. Co-expression of GL3 and TTG1 in the subepidermis blocked the mobility of TTG1 from the subepidermis to the epidermis. Within the epidermis the TTG1 protein in the trichome initials is less free to move compared to TTG1 in the other epidermal cells. Similarly the TTG1 entering into the trichome initial is retained more efficiently than the TTG1 entering into other epidermal cells. This correlates with the expression and localization pattern of GL3 which is predominantly expressed in trichome initials. This observation was further strengthened by p35S::GL3 lines where the depletion was lost because of the trapping of TTG1 in all epidermal cells. Taken together these data are clearly pointing towards a GL3 mediated nuclear trapping of TTG1 in the trichome initials. Weak alleles of ttg1, which produce trichome clusters, were used to test the biological relevance of the depletion. Interestingly the weak allelic forms of TTG1 showed either a weak or no interaction with GL3 and failed to be trapped in the nucleus in the yeast system. This led to the postulation that in these weak alleles the TTG1 interaction with GL3 might be sufficient enough to initiate trichomes but not strong enough to attract/trap TTG1 in the nucleus resulting in no depletion of the activator TTG1 in the trichome adjacent cells and thereby leading to cluster formation. A threshold level of TTG1 concentration in the nucleus appears to be crucial for the correct branching of the trichome. This assumption also correlates nicely with the underbranched phenotype in the weak ttg1 alleles where also nuclear TTG1 would be expected to be less because of weak/no interaction with GL3. The mobility domain in TTG1, which is not solely but partially responsible for the TTG1 mobility between the tissue layers was mapped to few amino acids in the N-terminus of TTG1. A potential TTG1 transport inhibitor (tti) mutant was isolated in the EMS mutagenesis screening of the ttg1pRBC::TTG1 plants that specifically inhibited the transport of TTG1 from the subepidermis to the epidermis in leaf and the seeds. The application of the photoconvertible marker KikGR1 in plants was shown for the first time. This was then successfully used to study the mobility of TTG1 in the leaf epidermis.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Trichommusterbildung in Arabidopsis thaliana ist ein gutes Modellsystem, um zweidimensionale Musterbildung in Pflanzen zu untersuchen. Laterale Inhibition während der Trichommusterbildung kann theoretisch entweder durch aktive Inhibition oder durch Entfernung von Trichom fördernder Aktivität (z.B. Depletion) erreicht werden. Vor kurzem publizierte Daten haben eine Rolle des Aktivator- Depletionsmechanismus in der Trichommusterbildung vorgeschlagen. Es wurde gezeigt, dass das TTG1 Protein in den Trichom umgebenden Epidermiszellen depletiert und in den Trichominitialen akkumuliert wird. In der hier vorliegenden Studie habe ich mich auf die Charakterisierung des molekularen Mechanismus und der Rolle des Festhaltens von TTG1 während der Trichommusterbildung konzentriert. Ich zeigte, dass die Entfernung des bHLH Faktors GL3 in dem Verlust der TTG1 Depletion resultiert, was deutlich suggeriert, dass die TTG1 Depletion GL3 abhängig ist. Zellen, die ein hohes Level von GL3 exprimieren, zeigen einen positiven Effekt auf die Kernlokalisation des TTG1 Proteins. Ebenso wirkt GL3 der TTG1 Mobilität sowohl innerhalb als auch zwischen Gewebeschichten entgegen. Koexpression von GL3 und TTG1 in der Subepidermis blockiert die Mobilität von TTG1 von der Subepidermis in die Epidermis. Innerhalb der Epidermis ist das TTG1 Protein in Trichominitialen im Vergleich zu anderen Epidermis zellen weniger frei sich zu bewegen. Ähnlich wird TTG1, das in eine Trichominitiale diffundiert ist, effizienter zurückgehalten als TTG1, das in eine andere epidermale Zellen diffundiert ist. Dies korreliert sehr gut mit dem Expressions- und Lokalisationsmuster von GL3, welches bevorzugt in Trichominitialen exprimiert wird. Diese Beobachtung wird weiter durch die Tatsache bestärkt, dass in 35S:GL3 Linien die Depletion aufgrund des Festhaltens von TTG1 in allen epidermalen Zellen verloren gegangen ist. Zusammenfassend zeigen diese Daten klar, dass GL3 TTG1 im Kern der Trichominitialen festhält. Schwache Allele von ttg1, die Trichomcluster produzieren, wurden benutzt, um die biologische Relevanz der Depletion zu testen. Interessanter Weise zeigten die schwachen Allele von TTG1 im Hefesystem entweder eine schwache oder keine Interaktion mit GL3 und waren nicht in der Lage im Kern festgehalten zu werden. Dies führte zu dem Postulat, dass die Interaktion von schwachen TTG1 Allelen mit GL3 zwar ausreichend ist Trichome zu initiieren, aber nicht ausreicht TTG1 in den Kern zu ziehen/ festzuhalten, was zum Verlust der TTG1 Depletion in den Trichomnachbarzellen und damit zur Clusterbildung führt. Eine Grenzkonzentration von TTG1 im Kern scheint kritisch für die korrekte Verzweigung von Trichomen zu sein. Diese Vermutung korreliert sehr gut mit dem Unterverzweigungsphänotyp von schwachen ttg1 Allelen, in denen das im Kern lokalisierte TTG1 aufgrund der schwachen/ fehlenden Interaktion mit GL3 als geringer erwartet wird. Die Mobilitätsdomäne in TTG1, die nicht alleine, aber teilweise verantwortlich für die TTG1 Beweglichkeit zwischen den Gewebeschichten ist, wurde auf wenige Aminosäuren im N-Terminus von TTG1 eingeschränkt. Eine mögliche TTG1 Transportinhibitor-Mutante (tti), die spezifisch den Transport von TTG1 aus der Subepidermis in die Epidermis von Blättern und Samen inhibiert, wurde in einem EMS-Mutagenese-Screen von ttg1pRBC:TTG1 Pflanzen isoliert. Die Anwendung des photokonvertierbaren Markers KikGR1 in Pflanzen wurde zum ersten Mal gezeigt. Dieser wurde dann erfolgreich benutzt, um die Mobilität von TTG1 in der Blattepidermis zu studieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Siddalingappa Balkunde, Rachappa rbalkund@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-43916
Date:	20 October 2011
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language TTG1, GL3, Trichome patterning, Depletion mechanism English
Date of oral exam:	22 October 2010
Referee:	Name Academic Title Hülskamp, Martin Prof. Dr. Roth, Siegfried Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4391