Universität zu Köln

Mitreiter, Simon (2021). Epigenetic regulation of glucosinolate biosynthesis and the contribution of regulatory variation to interspecific diversity in glucosinolate profiles. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plants of the order Brassicales produce glucosinolates (GSLs) as a biochemical defense against herbivores and pathogens. If the plant is attacked, these secondary metabolites are activated into toxic compounds such as thiocyanates, isothiocyanates and nitriles. Both intact GSLs and their degradation products influence plant-environment interactions in numerous ways. The regulation of GSL biosynthesis is known to be controlled by a complex consisting of MYB and bHLH transcription factors. Under stress conditions, in particular upon increased concentrations of the phytohormone jasmonate (JA), GSL biosynthesis is upregulated. Such inducible defenses are subject to the priming response, in which their output becomes more robust in response to repeated stimuli. The priming response is generally considered to be mediated by epigenetic mechanisms, but to date, no specific epigenetic regulation of GSL synthesis has been described. In this thesis, I aimed at studying the role of EMLs, a family of histone reader proteins, in this process. Via metabolite and transcript analysis of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) eml mutants, I could show that EMLs likely participate in the JA-mediated induction of GSL synthesis and the accompanying epigenetic shift. Additionally, EMLs were found to interact with bHLHs via colocalization and overexpression studies. This suggests that EMLs directly participate in the MYB-bHLH complex to epigenetically regulate GSL production. Furthermore, a great diversity of GSL structures exists among the plants of the Brassicaceae family, with every species producing their own distinct GSL profiles. While certain interspecific differences have been attributed to particular alleles of GSL biosynthetic enzymes in the past, a major role of regulatory genes has also been postulated in giving rise to varied GSL profiles. This hypothesis has not been specifically studied to date, however. In this thesis, MYB and bHLH genes in Arabidopsis, Arabis alpina, Cardamine hirsuta and Capsella rubella were analyzed in regard to their phylogenetic relationship and their functional conservation. The results suggest that these genes can mainly contribute to GSL diversity in a broad fashion, affecting entire branches of GSL biosynthesis. GSL profiles of root and shoot tissues of the three non-Arabidopsis species were determined by liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), revealing that C. rubella almost completely lacks indolic GSLs. The presence of numerous non-functional bHLH splice variants in this species was demonstrated, with overexpression studies in C. rubella cell culture showing that, together with low MYB expression, this alternative splicing contributes to the low indolic GSL content. Taken together, this thesis highlights how Brassicaceae plants regulate GSL biosynthesis via complex and multi-layered mechanisms, both on an individual and species-wide level.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Epigenetische Regulation der Glucosinolat-Biosynthese und der Beitrag regulatorischer Variation zur interspezifischen Vielfalt von Glucosinolat-Profilen German
Translated abstract:	Abstract Language Pflanzen der Ordnung Brassicales (Kreuzblütlerartige) produzieren Glucosinolate (GSLs) als biochemische Verteidigung gegen Herbivoren und Pathogene. Wird die Pflanze angegriffen, werden diese Sekundärmetaboliten zu toxischen Verbindungen wie Thiocyanaten, Isothiocyanaten und Nitrilen aktiviert. Sowohl intakte GSLs als auch deren Zerfallsprodukte beeinflussen die Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Umwelt auf vielfältige Weise. Die Regulation der GSL-Biosynthese wird bekanntermaßen durch einen aus MYB- und bHLH-Transkriptionsfaktoren (TFs) bestehenden Komplex kontrolliert. Unter Stressbedingungen, insbesondere einer erhöhten Konzentration des Phytohormons Jasmonat (JA), wird die GSL-Biosynthese hochreguliert. Solche Formen der induzierbaren Verteidigung unterliegen der Primingantwort, wobei die Reaktion durch wiederholte Stimuli robuster wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Primingantwort durch epigenetische Mechanismen vermittelt wird, es wurde jedoch bis dato noch keine spezifische epigenetische Regulation der GSL-Synthese beschrieben. In dieser Arbeit zielte ich darauf ab, die Rolle von EMLs, einer Familie von Histon-Leseproteinen, in diesem Prozess zu untersuchen. Durch die Analyse von Metaboliten und Transkripten in Arabidopsis-eml-Mutanten konnte ich zeigen, dass EMLs wahrscheinlich an der JA-vermittelten Induktion der GSL-Synthese und der sie begleitenden epigenetischen Veränderung beteiligt sind. Außerdem konnte ich mittels Kolokalisations- und Überexpressionsversuchen feststellen, dass EMLs mit bHLHs interagieren. Dies legt nahe, dass EMLs unmittelbar mit dem MYB-bHLH-Komplex wechselwirken, um die GSL-Produktion epigenetisch zu regulieren. Des Weiteren existiert eine große Vielfalt an GSL-Strukturen in der Pflanzenfamilie der Brassicaceen (Kreuzblütler), wobei jede Art ihre eigenen, unterschiedlichen GSL-Profile produziert. Während bestimmte zwischenartliche Unterschiede bereits bestimmten Allelen von Enzymen der GSL-Biosynthese zugeschrieben werden konnten, wurde darüber hinaus eine bedeutende Rolle von regulatorischen Genen in der Erzeugung von diversen GSL-Profilen postuliert. Diese Hypothese wurde bislang jedoch nicht direkt untersucht. In dieser Arbeit wurden MYB- und bHLH-Gene in Arabidopsis, Arabis alpina, Cardamine hirsuta und Capsella rubella in Hinblick auf ihre phylogenetische Verwandtschaft und ihre konservierte Funktion analysiert. Die Ergebnisse legen nahe, dass diese Gene hauptsächlich in einer breit angelegten Weise, die ganze Zweige der GSL-Biosynthese betrifft, zur GSL-Vielfalt beitragen können. GSL-Profile von Wurzel- und Sprossgewebe der drei Nicht-Arabidopsis-Arten wurden durch Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) bestimmt, wobei eine fast vollständige Abwesenheit von indolischen GSLs in C. rubella zutage trat. Das Vorhandensein von zahlreichen nicht-funktionellen bHLH-Spleißvarianten wurde nachgewiesen, wobei Überexpressionsversuche in einer Zellkultur von C. rubella zeigten, dass dieses alternative Spleißen zusammen mit niedriger Expression von MYB-Genen zum niedrigen Gehalt an indolischen GSLs beiträgt. Zusammengenommen stellt diese Arbeit heraus, wie Brassicaceen die GSL-Biosynthese sowohl auf individueller als auch auf Artebene durch komplexe und mehrschichtige Mechanismen regulieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mitreiter, Simon simon.mitreiter@smail.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-530790
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Glucosinolates English Transcriptional regulation English Epigenetic regulation English MYB English bHLH English MYC English EMSY-LIKE English EML English Jasmonate English Arabidopsis thaliana English Arabis alpina English Capsella rubella English Cardamine hirsuta English
Date of oral exam:	20 April 2021
Referee:	Name Academic Title Gigolashvili, Tamara PD Dr. Höcker, Ute Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/53079