Universität zu Köln

Jiang, Panpan (2017). Light signaling in Arabis alpina, a perennial relative of Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF Jiang_Dissertation.pdf - Accepted Version Download (78MB)

Abstract

Light is one of the most important environmental factors affecting plant development throughout the whole life cycle. Arabidopsis SPA and COP1 proteins act as central repressors of photomorphogenesis. However, previous studies on the functions of SPA and COP1 proteins are limited to only a few species and not in perennial species. In the present study, I examined the functionality of COP1 and SPA1 proteins from the new perennial model species Arabis alpina in Arabidopsis. The open reading frame of COP1 and SPA1 in the wild type A. alpina Paj were amplified and expressed in Arabidopsis cop1 and spa mutants, respectively. The analyses in the transgenic plants suggested conserved basic mechanisms of AaCOP1 and AaSPA1 during evolution between perennials and annuals in Brassicaceae family. The light regulation of SPA (SPA1/2/3/4) transcripts in A. alpina Paj was similar as in Arabidopsis. In the accession Wca, however, AaSPA2 mRNA abundance was increased by light, suggesting a different light regulation mechanism on Wca SPA2 in comparison to the wild type Paj. Natural variation in photoperiodic flowering has been studied in Arabidopsis, the loss-­ or gain-­of-­ function of phytochromes (PHYA, PHYB, PHYC, PHYD) and cryptochromes (CRY2) could lead to reduced photoperiod responses in natural accessions of Arabidopsis. In the present study, natural variation of photoperiodic flowering in different A. alpina accessions was investigated. The accession Wca acts as a photoperiod-­insensitive plant. A time course experiment was conducted to analyze the expression of the floral meristem identity genes AaLFY and AaAP1, which could support the observed photoperiod-­insensitivity in Wca. Furthermore, Wca did not respond to different fluence rates of red light, suggesting a possibly dysfunctional phyB in Wca. On the other hand, the distinct flowering behavior between the long-­day-­plant Dor and the photoperiod-­ insensitive Wca could not be correlated to the diurnal oscillation of AaCO and AaFT. Moreover, the decrease of AaFT expression in the SD/LD shift experiment suggests additional factors might be involved in the floral transition in Wca. Arabidopsis responds to low R:FR ratio with elongated hypocotyl and petiole length at seedlings stage, and with the elongation of petiole in the rosette leaves, inhibition of leaf blade expansion and accelerated flowering in adult plants. The responses of A. alpina Paj to low R:FR appear to be age-­dependent: as Paj displayed tolerance to shade in two-­week-­old seedlings but exhibited elongation of stem in eight-­week-­old adult plants. The expression of auxin biosynthesis genes YUCs in A. alpina could be correlated to the age-­dependent SAS phenotype observed.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Licht ist einer wichtigster Umweltfaktor, die die Pflanzenentwicklung während des gesamten Lebenszyklus beeinflussen. Arabidopsis SPA-­ und COP1-­Proteine sind zentraler Repressor der Photomorphogenese in Arabidopsis. Allerdings sind frühere Studien über die Funktionen von SPA-­ und COP1-­Proteinen auf nur wenige Arten und nicht auf mehrjährige Arten beschränkt. In der vorliegenden Studie untersuchte ich die Funktionalität von COP1-­ und SPA1-­Proteinen aus der neuen mehrjährigen Modellspezies Arabis alpina in Arabidopsis. Der offene Leserahmen von COP1 und SPA1 im Wildtyp A. alpina Paj wurde in Arabidopsis cop1 bzw. spa-­Mutanten amplifiziert und exprimiert. Die Analysen in den transgenen Pflanzen schlugen die konservierten Grundmechanismen von AaCOP1 und AaSPA1 während der Evolution zwischen Stauden und Jahreszahlen in der Familie Brassicaceae vor. Die Lichtregulation von SPA (SPA1 / 2/3/4) Transkripten in A. alpina Paj war ähnlich wie bei Arabidopsis. In der Beitritts-­Wca wurde jedoch die AaSPA2-­mRNA-­Häufigkeit durch Licht erhöht, was auf einen anderen Lichtregelungsmechanismus auf Wca SPA2 im Vergleich zum Wildtyp Paj hindeutet. Die natürliche Variation der photoperiodischen Blüte wurde in Arabidopsis untersucht, die Verlust-­ oder Verstärkungsfunktion von Phytochromen (PHYA, PHYB, PHYC, PHYD) und Kryptochrome (CRY2) könnte zu reduzierten Photoperiodreaktionen bei natürlichen Zugängen von Arabidopsis führen. In der vorliegenden Studie wurde die natürliche Variation der photoperiodischen Blüte in verschiedenen A. alpina-­Zugängen untersucht. Der Beitritt Wca fungiert als photoperiod-­ unempfindliche Pflanze. Es wurde ein Zeitverlaufsexperiment durchgeführt, um die Expression der floralen Meristem-­Identitätsgene AaLFY und AaAP1 zu analysieren, die die beobachtete Photoperiod-­Unempfindlichkeit in Wca unterstützen könnten. Darüber hinaus reagierte Wca nicht auf unterschiedliche Fluoreszenzraten von rotem Licht, was auf eine möglicherweise dysfunktionale phyB in Wca hindeutet. Auf der anderen Seite konnte das ausgeprägte Blütenverhalten zwischen dem Langzeit-­Werk Dor und dem photoperiod-­unempfindlichen Wca nicht mit der Tagesoszillation von AaCO und AaFT korreliert werden. Darüber hinaus deutet die Abnahme der AaFT-­Expression im SD / LD-­Shift-­Experiment darauf hin, dass zusätzliche Faktoren in den floralen Übergang in Wca involviert sein könnten. Arabidopsis reagiert auf niedriges R: FR-­Verhältnis mit langgestreckter Hypokotyl-­ und Petiole-­ Länge bei Sämlingsstadium und mit der Dehnung des Stiels in den Rosettenblättern, der Hemmung der Blattblattdehnung und der beschleunigten Blüte bei erwachsenen Pflanzen. Die Reaktionen von A. alpina Paj auf niedrige R: FR scheinen altersabhängig zu sein: als Paj Toleranz zum Schatten in zweiwöchigen Sämlingen zeigte, aber eine Verlängerung des Stammes in acht Wochen alten erwachsenen Pflanzen zeigte. Die Expression von Auxin-­Biosynthese-­Genen YUCs in A. alpina konnte mit dem beobachteten altersabhängigen SAS-­Phänotyp korreliert werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Jiang, Panpan panpan.jiang1@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-76865
Date:	14 July 2017
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 Agriculture
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language light signaling, perennial, SPA, COP1, Arabis alpina, phytochromes, shade avoidance English
Date of oral exam:	24 April 2017
Referee:	Name Academic Title Hoecker, Ute Prof. Dr. Albani, Maria Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7686