Universität zu Köln

Bergonzi, Sara (2012). The regulation of reproductive competence in the perennial Arabis alpina. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

At the beginning of development many organisms undergo a juvenile phase during which they are unable to reproduce even in favorable conditions. The length of this phase varies significantly among species, reflecting different strategies for energy allocation and contributing to fitness. In plants, the length of the juvenile phase is more pronounced in perennial species and can last from a few weeks to several years. The polycarpic perennial Arabis alpina L. (A. alpina) acc. Pajares was used as a model to investigate the molecular basis regulating the acquisition of reproductive competence. A. alpina has a well defined juvenile phase and flowers in response to prolonged exposure to cold (vernalization) only if previously grown for more than 4 weeks in long days (LD). Comparison of the transcriptomic profiles of main apices from plants grown for 2 weeks (juvenile or incompetent) and 8 weeks (adult or competent) in LDs identified several members of the gene family encoding miR156-regulated SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE (SPL) transcription factors to be higher expressed in adult apices. The miR156-SPL pathway is evolutionarily conserved in land plants and known in Arabidopsis thaliana to regulate the floral transition as well as contributing to vegetative development. The results presented in this thesis suggest that miR156 acts to confer the juvenile phase in apices of A. alpina by regulating the age at which the plant becomes sensitive to vernalization. This is supported by expression data that show a strong correlation between high miR156 levels and inability to flower. Moreover, flowering in MIR156b overexpressing lines is strongly repressed and plants do not undergo reproduction even when grown for several months in LDs before exposure to vernalization. Interestingly, temperature was found to influence the rate of miR156 expression changes during development, suggesting that this might also influence the timing of the transition to adult development. miR156 targets a conserved group of SPLs in A. alpina. Aa SPL9 was chosen as a candidate gene acting to promote the adult phase of A. alpina because it shows complementary expression pattern to miR156 and is upregulated as plants grow older. Consistent with this conclusion, preliminary results show that overexpressing Aa SPL9 strongly accelerates flowering. Finally, a physiological characterization of maturation in vegetative axillary shoots growing in the second year supports a flowering model in which single shoots acquire competence to reproduce independently. miR156 accumulation in axillary shoots resembles the pattern observed in the main shoot apex suggesting that similar molecular mechanisms might regulate maturation in different shoots and that in perennial species juvenility contributes also to polycarpy.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Am Anfang ihrer Entwicklung durchleben viele Organismen eine Juvenilitätsphase, während der sie nicht in der Lage sind sich fortzupflanzen, selbst wenn die Bedingungen günstig sind. Die Länge dieser Phase ist je nach Art unterschiedlich und spiegelt unterschiedliche Strategien in der Ressourcen Allokation wider. Bei Pflanzen haben insbesondere ausdauernde Arten eine ausgeprägte die Juvenilitätsphase - sie kann wenige Wochen, aber auch mehrere Jahre dauern. Um die molekularen Grundlagen der Erlangung der Reproduktionsfähigkeit zu untersuchen, wurde als Model die ausdauernde Art Arabis alpina L. (Akzession Pajares) gewählt. A. alpina hat eine ausgeprägte Juvenilitätsphase und blüht im Anschluss an eine längere Kälteperiode (Vernalisation) nur, wenn sie zuvor mindestens vier Wochen unter Langtagsbedingungen (LD) kultiviert wurde. Durch Vergleich des Transkriptoms von Hauptspross-Apizes zwei Wochen alter Pflanzen (juvenil, bzw. incompetent) mit dem acht Wochen alter Pflanzen (adult, bzw. competent), wurden mehrere Mitglieder einer Gen-Familie identifiziert, die miR156-regulated SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN LIKE (SPL) Transkriptions Factoren kodieren. In adulten Apizes sind diese stärker exprimiert als in jungen. Der miR156-SPL pathway ist in Landpflanzen konserviert und in Arabidopsis thaliana dafür bekannt, sowohl beim Übergang zur Blühphase, als auch bei der vegetativen Entwicklung eine Rolle zu spielen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die miR156 Aktivität in den Apizes von A. alpina das Alter bestimmt in dem die Pflanze für eine Vernalisierung empfänglich wird und somit die Juvenilitätsphase reguliert. Expressionsanalysen zeigen, dass bei hohem miR156 Leveln die Pflanzen nicht zur Blüte gelangen. Zudem wird auch in überexprimierten MIR156b Linien die Blühphase unterdrückt, sodass selbst Pflanzen, die viele Monate bei LD kultiviert und dann vernalisiert wurden, nicht zur Blüte gelangten. Interessanterweise hatte auch die Temperatur einen Einfluss auf die Änderungen der miR156 Expression, sie beeinflusst vermutlich den zeitlichen Verlauf der Entwicklung zum Adult-Stadium. Das Ziel der miR156 in A. alpina ist eine Gruppe konservierter SPL Gene. Als „candidate gene“ wurde Aa SPL9 gewählt, da es bei der Entwicklung zur Adult-Phase im Vergleich zu miR156 ein gegensätzliches Expressionsmuster zeigte und mit zunehmendem Alter der Pflanzen hochreguliert wird. Dies wiederum steht im Einklang mit ersten Ergebnissen, die zeigen, dass die Überexpression von Aa SPL9 den Blühbegin beschleunigt. Eine physiologische Charakterisierung der Reifung von im zweiten Jahr befindlichen vegetativen Seitensprossen deutet zudem darauf hin, dass die einzelnen Sprosse die Reproduktionsfähigkeit unabhängig voneinander erlangen. Die Akkumulation von miR156 scheint dabei in den Seitensprossen auf die gleiche Weise zu erfolgen wie im Hauptspross-Apex, was darauf hin weist, dass für ihre Reifung die gleichen molekularen Mechanismen verantwortlich sind. Die Juvenilitätsphase scheint somit mit dafür verantwortlich zu sein, dass ausdauernde Arten mehrfach blühen können. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bergonzi, Sara bergonzi@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-48641
Date:	5 October 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language reproductive competence English perenniality English microRNA English
Date of oral exam:	10 October 2011
Referee:	Name Academic Title Coupland, George Prof.Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4864