Universität zu Köln

Pietsch, Jessica ORCID: 0000-0003-1908-2993 (2022). Cross-regulatory interactions of trichome patterning genes in Arabidopsis thaliana and related species. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plant development is characterized by a multitude of regulatory processes. However, only a minority of gene networks is yet understood, strengthening the need to elucidate cross-interacting pathways in more detail. Regulating five different traits in Arabidopsis thaliana, the conserved TTG1 network controls a wide range of regulatory processes throughout plant development, including trichome patterning. This is achieved by the interplay of trichome promoting and repressing factors, called activators and inhibitors. The regularly distributed trichome pattern begins in a field of identical cells. Gene fluctuations disrupt the homogeneity and de novo patterning processes are initiated. In this study, fluctuations of protein expressions were elucidated, describing the first-ever conducted experiments in plant tissues. It was demonstrated that proteins fluctuate over time and extrinsic noise represents the primary source of gene fluctuation in different Arabidopsis tissues. After the first relative differences between trichome activators and inhibitors set the pattern formation in motion, a complex machinery regulates trichome positioning and development. Here, the quantification of the transcriptional expressions of all TTG1-dependent trichome patterning genes in Arabidopsis was performed, extended by comparative analyses in two related species. The systematical investigation of 15 differentially regulated patterning genes in Arabidopsis Col-0 wildtype and 21 mutant backgrounds highlighted the core components of the conserved TTG1 network and revealed the impact of gene homology. The vast study pointed out that the prominent patterning activators GL3/EGL3 and GL1/MYB23 can be considered functional units and identified a mutual positive feedback loop between them, contributing to the self-enhancement of the patterning activators when initiating a trichome cell fate. Surprisingly, it was revealed that the homeodomain transcription factor GL2 is much more interwoven with other patterning genes than previously thought, negating it as a pure downstream gene of the system. A comparative approach in the related Brassicaceae A. alpina and C. hirsuta enabled first evolutionary insights into the conserved TTG1 network as it highlights similar and divergent functions between all three species. Most strikingly, GL1 - an essential factor of the activator complex in Arabidopsis - exhibits only a weak biological relevance in Cardamine, and the data strongly suggested a functional compensation by ChWER. For a regularly distributed trichome pattern, not only gene regulation is crucial but also the stability of the translated proteins. Here, a significant stabilization of MYB proteins by bHLH proteins was revealed, which even increased in a dosage-dependent manner. This study provides the proof of concept that the adopted ratiometric approach - using the viral 2A cleavage system - is applicable to quantify protein stability in planta by the equimolar translation of up to three proteins from one open reading frame. Furthermore, MYC1 has turned out to be an exceptional representative of the patterning genes. On the one hand and contradictory to a previous study, pMYC1 was found to be ubiquitously expressed throughout the leaf blade. In addition, the quantification revealed an expression decrease with progressing trichome development. On the other hand, the regulatory scheme of MYC1 differed from other activators and was unlikely to be compensated by homologous genes, highlighting the divergent role of this activator.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Pflanzenentwicklung ist durch eine Vielzahl von Regulationsprozessen charakterisiert. Allerdings ist bisher nur eine Minderheit von Gennetzwerken verstanden, was die Notwendigkeit verstärkt, wechselwirkende Signalwege detaillierter aufzuklären. Das konservierte TTG1-Netzwerk reguliert fünf verschiedene Merkmale in Arabidopsis thaliana und kontrolliert ein breites Spektrum regulatorischer Prozesse während der gesamten Pflanzenentwicklung, einschließlich der Trichommusterung. Dies wird durch das Zusammenspiel von Trichomen-fördernden und -hemmenden Faktoren erreicht, die als Aktivatoren und Inhibitoren bezeichnet werden. Das regelmäßig verteilte Trichommuster beginnt in einem Feld identischer Zellen. Genfluktuationen stören die Homogenität und de novo Musterungsprozesse werden initiiert. In dieser Studie wurden Fluktuationen von Proteinexpressionen aufgeklärt, die die allerersten durchgeführten Experimente in Pflanzengeweben beschreiben. Es wurde demonstriert, dass Proteine im Laufe der Zeit fluktuieren und extrinsisches Rauschen die Hauptquelle für Genfluktuationen in verschiedenen Arabidopsis-Geweben darstellt. Nachdem die ersten relativen Unterschiede zwischen Trichomaktivatoren und -inhibitoren die Musterbildung in Gang gesetzt haben, reguliert eine komplexe Maschinerie die Trichompositionierung und -entwicklung. Hier wurde die Quantifizierung der transkriptionellen Expressionen aller TTG1-abhängigen Trichom-musterungsgene in Arabidopsis durchgeführt, erweitert durch vergleichende Analysen in zwei verwandten Spezies. Die systematische Untersuchung von 15 differentiell regulierten Musterungs-genen in Arabidopsis Col-0 Wildtyp und 21 mutierten Hintergründen hob die Kernkomponenten des konservierten TTG1-Netzwerks hervor und enthüllte den Einfluss der Genhomologie. Die umfangreiche Studie wies darauf hin, dass die prominenten Musterungsaktivatoren GL3/EGL3 und GL1/MYB23 als funktionelle Einheiten betrachtet werden können, und identifizierte eine gegenseitige positive Rückkopplungsschleife zwischen ihnen, die zur Selbstverstärkung der Musterungs-aktivatoren bei der Initiierung eines Trichomzellschicksals beiträgt. Überraschender-weise zeigte sich, dass der Homöodomänen-Transkriptionsfaktor GL2 viel stärker mit anderen Musterungsgenen verwoben ist als bisher angenommen, was ihn als reines Downstream-Gen des Systems negiert. Ein vergleichender Ansatz in den verwandten Brassicaceae A. alpina und C. hirsuta ermöglichte erste evolutionäre Einblicke in das konservierte TTG1-Netzwerk, da er ähnliche und abweichende Funktionen zwischen allen drei Arten hervorhebt. Am auffälligsten ist, dass GL1 - ein essentieller Faktor des Aktivatorkomplexes in Arabidopsis - nur eine schwache biologische Relevanz in Cardamine aufweist und die Daten stark auf eine funktionelle Kompensation durch ChWER hindeuten. Für ein regelmäßig verteiltes Trichommuster ist nicht nur die Genregulation entscheidend, sondern auch die Stabilität der translatierten Proteine. Hier wurde eine signifikante Stabilisierung von MYB-Proteinen durch bHLH-Proteine aufgedeckt, die dosisabhängig sogar noch zunahm. Diese Studie liefert den Machbarkeitsnachweis, dass - unter Verwendung des viralen 2A-Spaltungssystems - der adoptierte ratiometrische Ansatz anwendbar ist, um die Proteinstabilität durch die äquimolare Translation von bis zu drei Proteinen aus einem offenen Leseraster in planta zu quantifizieren. Darüber hinaus hat sich MYC1 als außergewöhnlicher Vertreter der Musterungsene herausgestellt. Einerseits und im Gegensatz zu einer früheren Studie wurde festgestellt, dass pMYC1 überall in der Blattspreite exprimiert wird. Zusätzlich deckte die Quantifizierung eine Expressionsabnahme mit fortschreitender Trichom-entwicklung auf. Andererseits unterschied sich das regulatorische Schema von MYC1 von anderen Aktivatoren und es war unwahrscheinlich, dass es durch homologe Gene kompensiert wurde, was die abweichende Rolle dieses Aktivators hervorhebt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pietsch, Jessica UNSPECIFIED orcid.org/0000-0003-1908-2993 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-614902
Date:	2022
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 trichome patterning; TTG1-dependent network; transcriptional gene expression; Arabidopsis thaliana; Arabis alpina; Cardamine hirsuta English
Date of oral exam:	14 April 2022
Referee:	Name Academic Title Hülskamp, Martin Prof. Dr. Höcker, Ute Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/61490