Universität zu Köln

Perez Anton, Miguel (2021). Mechanism of localized lignin deposition in explosive fruit. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Adaptations for dispersal are ubiquitous in nature. Plants have evolved many and varied ways to disperse their seeds, from the parachute of plumed dandelion seeds, to the exploding fruit of Cardamine hirsuta. A major goal in biology is to identify the molecular basis of such complex trait innovations. In C. hirsuta, the asymmetric deposition and lignification of secondary cell walls (SCWs) in endocarp b cells of the fruit valve was found to be a key morphomechanical innovation underpinning explosive seed dispersal. To gain insights into the mechanisms controlling this lignin patterning in C. hirsuta, we identified less lignin (lig) mutants that showed reduced lignification of the fruit valve. The lig1 mutant is deficient in lignin deposition in endocarp b cells, resulting in a reduced seed dispersal range. By positional cloning, transgenic complementation, and the isolation of additional alleles, I demonstrate that an ortholog of the transcription factor SPL7, a central regulator of copper homeostasis, is the causal locus for the phenotype. Using ICP-MS to measure the concentration of copper, I show that SPL7 is both necessary and sufficient to regulate the concentration of copper in fruit. I find that SPL7 is expressed in endocarp b cells and lignified cells of the dehiscence zone, suggesting a local role in lignification. Three members of the lignin-polymerizing laccases, which are Cu-requiring enzymes, are expressed in endocarp b cells, where I show they precisely co-localize with lignin in the asymmetric SCWs. Using CRISPR/Cas9, I generated knock-out alleles of these three laccases. Plants with 5 mutant laccase alleles have less lignin in SCWs of endocarp b cells, suggesting that laccases are required for endocarp b lignification. I propose that copper deficiency in the lig1 fruit, due to loss of SPL7 function, reduces laccase activity in endocarp b cells, resulting in reduced lignification. Therefore, explosive seed dispersal depends on the SPL7 pathway to provide sufficient copper to the fruit for localized lignin deposition, likely mediated by precise localization of Cu-requiring laccases.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Anpassungen der Ausbreitung sind allgegenwärtig in der Natur. Pflanzen haben viele und vielfältige Möglichkeiten zur Verbreitung ihrer Samen entwickelt, vom Fallschirm der gefiederten Löwenzahnsamen bis zu den explodierenden Früchten von Cardamine hirsuta. Ein Hauptziel in der Biologie ist es, die molekulare Basis solcher komplexen phänotypischen Innovationen zu identifizieren. Bei C. hirsuta erwies sich die asymmetrische Ablagerung und Lignifizierung der sekundären Zellwände in den Endokarp-b-Zellen der Fruchtklappe als eine wichtige morphomechanische Innovation, die der explosiven Samenausbreitung zugrunde liegt. Um Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, die dieses Lignifizerungsmuster in C. hirsuta steuern, identifizierten wir „weniger Lignin“ (lig) Mutanten, die eine verminderte Lignifizierung der Fruchtklappe aufwiesen. Die lig1-Mutante weist einen Mangel an Lignineinlagerung in den Endokarp-b-Zellen auf, was zu einer verringerten Samenausbreitung führt. Durch Positionsklonierung, transgene Komplementierung und die Isolierung zusätzlicher Allele zeige ich, dass ein Ortholog des Transkriptionsfaktors SPL7, ein zentraler Regulator der Kupferhomöostase, der kausale Genlocus für diesen Phänotyp ist. Mit Hilfe von ICP-MS zur Messung der Kupferkonzentration zeige ich, dass SPL7 sowohl notwendig als auch ausreichend ist, um die Kupferkonzentration in den Früchten zu regulieren. Ich finde hearaus, dass SPL7 in den Endokarp-b-Zellen und verholzten Zellen der Dehiszenzzone exprimiert wird, was auf eine lokale Rolle bei der Verholzung hindeutet. Drei Lignin-polymerisierenden Laccasen (LAC4, LAC11 and LAC17), welche Cu-benötigende Enzyme sind, werden in Endokarp-b-Zellen exprimiert, bei denen ich zeige, dass sie mit Lignin in den asymmetrischen sekundären Zellwänden ko-lokalisieren. Mit Hilfe von CRISPR/Cas9 habe ich Knock-out-Allele dieser drei Laccasen erzeugt. Pflanzen mit 5 mutierten Laccase-Allelen haben weniger Lignin in den sekundären Zellwänden der Endokarp-b-Zellen, was darauf hindeutet, dass Laccasen für die Lignifizierung des Endokarp b erforderlich sind. Ich schlage vor, dass ein Kupfermangel in der lig1-Frucht aufgrund des Verlusts der SPL7-Funktion die Laccase-Aktivität in den Endokarp-b-Zellen reduziert, was zu einer verminderten Ligninbildung führt. Demnach hängt die explosive Samenausbreitung von der Wirkung des SPL7-Wegs ab ausreichend Kupfer für eine lokalisierte Ligninablagerung in der Frucht zur Verfügung zu stellen, die durch eine präzise Lokalisierung der Cu-bedürftigen Laccasen vermittelt wird. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Perez Anton, Miguel perez@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-540623
Date:	24 November 2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences Agriculture
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Cardamine hirsuta English Laccases English Fruit English
Date of oral exam:	2 December 2020
Referee:	Name Academic Title Hay, Angela Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/54062