Willee, Eva (2018). Analysis of light-dependent leaf development in Arabidopsis and cotyledon development in Flaveria species. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Light not only provides the electromagnetic radiation plants need to perform photosynthesis, it is also an important environmental factor for plant development. Internal leaf architecture is one of the most essential features of plant development. Leaf architecture adaptations such as cell elongation and leaf vein density increase towards light intensities and enable the plant to optimize the photosynthesis rates and water use efficiency. This thesis comprises two different approaches to analyse light-dependent regulators of leaf development. The first one involves the analysis of light-dependent C4 photosynthesis-specific Kranz anatomy in Flaveria species. The second approach utilizes the genetic variation of Arabidopsis accessions and next generation sequencing. Kranz anatomy is a very specific leaf architecture composed of bundle sheath cells (BSC) that surround the veins and furthermore features reduced vein spacing. In this thesis, I investigated the light-dependent formation of the Kranz anatomy by analysing the BSC area increase in Flaveria species. In all species analysed comprising C3, C3-C4 and C4 species, the increase of BSC area was light-dependent. Since several genes of the C4 photosynthetic pathway are expressed in a light-dependent matter, another research question of this experiment was, whether the promoters of GLDPA and PPCA deriving from Flaveria trinervia show light-dependent activation. Here, light-dependent expression of two reporter genes was not verified in dark-and light-grown cotyledons of Flaveria bidentis and Arabidopsis. In a second approach in order to understand leaf development, quantitative trait loci (QTL) analysis was performed to identify regulators of estimated leaf thickness and leaf vein density in Arabidopsis. A QTL on chromosome 4 for leaf vein density was identified using the Arabidopsis multiparent recombinant inbred lines (AMPRIL) and SNP-based polymorphism analysis in the parental accessions of the RILs lead to the identification of AXR6 as the putative QTL for leaf vein density. The last part of this thesis comprises the transcriptome analysis of high-light- and low-lightgrown Arabidopsis leaves. Using 3 leaf-developmental stages this experiment gives insight into the transcriptome of developing high-light stressed Arabidopsis leaves. In summary, I confirmed light-dependent BSC area increase in different Flaveria species. In the used model systems, the expression of GLDPA- and PPCA-reporter constructs was found to be light-independent. QTL analysis using AMPRIL lead to the identification of AXR6 as putative QTL for leaf vein density. Transcriptome analysis of high-light- and low-light-grown Arabidopsis leaves gave first insights into differentially expressed genes in developing leaves and requires further investigations

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Licht liefert nicht nur die elektromagnetische Strahlung, die Pflanzen für die Photosynthese benötigen, es ist auch ein wichtiger Umweltfaktor für die Pflanzenentwicklung. Die interne Blattarchitektur ist eines der wichtigsten Merkmale der Pflanzenentwicklung. Anpassung der Blattarchitektur, wie zum Beispiel Zellstreckung und Zunahme der Blattaderdichte bei wachsender Lichtintensität, ermöglichen der Pflanze, die Photosyntheseraten und die Wassernutzungseffizienz zu optimieren. Diese Arbeit umfasst zwei verschiedene Ansätze zur Untersuchung lichtabhängiger Blattentwicklungsregulatoren. Die erste beinhaltet die Untersuchung der lichtabhängigen Ausbildung der C4-spezifischen Kranz-Anatomie in Flaveria- Arten. Der zweite Ansatz nutzt die genetische Vielfalt von Arabidopsis-Akzessionen und Transkriptomsanalysen. Die Kranz-Anatomie ist eine spezifische Blattarchitektur, die aus Bündelscheiden-Zellen und Mesophyll-Zellen besteht, die kranzförmig die Venen umgeben. Ein weiteres Merkmal der Kranz-Anatomie ist ein verringerter Venenabstand. In dieser Arbeit wurde die lichtabhängige Ausbildung der Kranz-Anatomie durch Messung der Bündescheidenzellen-Flächen in verschiedenen Flaveria-Arten untersucht. Hier war bei allen analysierten Arten, die sowohl C3, als auch C3-C4- und C4-Arten umfassten, der Anstieg der Bündelscheidenzellen-Fläche lichtabhängig. Da mehrere Gene des C4-Photosynthesewegs lichtabhängig exprimiert werden, war eine weitere Fragestellung dieses Experiments, ob die Promotoren von GLDPA und PPCA von Flaveria trinervia lichtabhängig aktiviert werden. Hier konnte die lichtabhängige Expression von Reportergenen beider Promotoren in Dunkel- und Helligkeit angezogenen Keimblättern von Flaveria bidentis und Arabidopsis nicht bestätigt werden. In einem zweiten Ansatz wurde eine QTL Analyse durchgeführt, um Regulatoren der Blattdicke und der Blattaderdichte in Arabidopsis zu identifizieren. Ein QTL verantwortlich für die Blattaderdichte wurde in den Linien auf Chromosom 4 identifiziert. Die SNP-basierte Polymorphismus-Analyse in den Gründerakzessionen führte zur Identifizierung von AXR6 als putativen QTL für die Blattvenendichte. Der letzte Teil dieser Arbeit umfasst die Transkriptom-Analyse von unter Hochlicht und Schwachlicht angezogenen Arabidopsis-Blättern. Anhand von 3 Entwicklungsstadien gab dieses Experiment einen Einblick in das Transkriptom von hochlicht-behandelten Arabidopsis- Blättern. Zusammenfassend bestätigte ich die lichtabhängige Flächenzunahme der Bündelscheidenzellen bei verschiedenen Flaveria-Arten. In den verwendeten Modellsystemen erwies sich die Expression von GLDPA- und PPCA-Promoter-Reportergenkonstrukten als lichtunabhängig. Die QTL-Analyse unter Verwendung von AMPRIL führte zur Identifizierung von AXR6 als mutmaßlichen QTL für die Blattaderdichte. Die Transkriptom-Analyse von Arabidopsis-Blättern unter 2 verschiedenen Lichtquantitäten lieferte erste Einblicke in differentiell exprimierte Gene in sich entwickelnden Blättern.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Willee, EvaUNSPECIFIEDUNSPECIFIED
Corporate Creators: Universität zu Köln
URN: urn:nbn:de:hbz:38-90343
Subjects: Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
leaf developmentEnglish
FlaveriaEnglish
leaf vein densityEnglish
ArabidopsisEnglish
TranscriptomeEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Exzellenzcluster Cluster of Excellence in Plant Sciences (CEPLAS)
Language: English
Date: 20 June 2018
Date of oral exam: 10 September 2018
Referee:
NameAcademic Title
Höcker, UteProf. Dr.
Hülskamp, MartinProf. Dr.
Schnetz, KarinProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9034

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