TY  - THES
A1  - Bemm, Felix Mathias
T1  - Genetic foundation of unrivaled survival strategies - Of water bears and carnivorous plants -
T1  - Genetische Grundlagen einzigartiger Überlebensstrategien - Über Bärtierchen und fleischfressende Pflanzen -
N2  - All living organisms leverage mechanisms and response systems to optimize reproduction, defense, survival, and competitiveness within their natural habitat. Evolutionary theories such as the universal adaptive strategy theory (UAST) developed by John Philip Grime (1979) attempt to describe how these systems are limited by the trade-off between growth, maintenance and regeneration; known as the universal three-way trade-off. Grime introduced three adaptive strategies that enable organisms to coop with either high or low intensities of stress (e.g., nutrient deficiency) and environmental disturbance (e.g., seasons). The competitor is able to outcompete other organisms by efficiently tapping available resources in environments of low intensity stress and disturbance (e.g., rapid growers). A ruderal specism is able to rapidly complete the life cycle especially during high intensity disturbance and low intensity stress (e.g., annual colonizers). The stress tolerator is able to respond to high intensity stress with physiological variability but is limited to low intensity disturbance environments. Carnivorous plants like D. muscipula and tardigrades like M. tardigradum are two extreme examples for such stress tolerators. D. muscipula traps insects in its native habitat (green swamps in North and South Carolina) with specialized leaves and thereby is able to tolerate nutrient deficient soils. M. tardigradum on the other side, is able to escape desiccation of its terrestrial habitat like mosses and lichens which are usually covered by a water film but regularly fall completely dry. The stress tolerance of the two species is the central study object of this thesis. In both cases, high througput sequencing data and methods were used to test for transcriptomic (D. muscipula) or genomic adaptations (M. tardigradum) which underly the stress tolerance. A new hardware resource including computing cluster and high availability storage system was implemented in the first months of the thesis work to effectively analyze the vast amounts of data generated for both projects. Side-by-side, the data management resource TBro [14] was established together with students to intuitively approach complex biological questions and enhance collaboration between researchers of several different disciplines. Thereafter, the unique trapping abilities of D. muscipula were studied using a whole transcriptome approach. Prey-dependent changes of the transcriptional landscape as well as individual tissue-specific aspects of the whole plant were studied. The analysis revealed that non-stimulated traps of D. muscipula exhibit the expected hallmarks of any typical leaf but operates evolutionary conserved stress-related pathways including defense-associated responses when digesting prey. An integrative approach, combining proteome and transcriptome data further enabled the detailed description of the digestive cocktail and the potential nutrient uptake machinery of the plant. The published work [25] as well as a accompanying video material (https://www.eurekalert.org/pub_releases/ 2016-05/cshl-fgr042816.php; Video credit: Sönke Scherzer) gained global press coverage and successfully underlined the advantages of D. muscipula as experimental system to understand the carnivorous syndrome. The analysis of the peculiar stress tolerance of M. tardigradum during cryptobiosis was carried out using a genomic approach. First, the genome size of M. tardigradum was estimated, the genome sequenced, assembled and annotated. The first draft of M. tardigradum and the workflow used to established its genome draft helped scrutinizing the first ever released tardigrade genome (Hypsibius dujardini) and demonstrated how (bacterial) contamination can influence whole genome analysis efforts [27]. Finally, the
M. tardigradum genome was compared to two other tardigrades and all species present in the current release of the Ensembl Metazoa database. The analysis revealed that tardigrade genomes are not that different from those of other Ecdysozoa. The availability of the three genomes allowed the delineation of their phylogenetic position within the Ecdysozoa and placed them as sister taxa to the nematodes. Thereby, the comparative analysis helped to identify evolutionary trends within this metazoan lineage. Surprisingly, the analysis did not reveal general mechanisms (shared by all available tardigrade genomes) behind the arguably most peculiar feature of tardigrades; their enormous stress tolerance. The lack of molecular evidence for individual tardigrade species (e.g., gene expression data for M. tardigradum) and the non-existence of a universal experimental framework which enables hypothesis testing withing the whole phylum Tardigrada, made it nearly impossible to link footprints of genomic adaptations to the unusual physiological capabilities. Nevertheless, the (comparative) genomic framework established during this project will help to understand how evolution tinkered, rewired and modified existing molecular systems to shape the remarkable phenotypic features of tardigrades.
N2  - Alle lebenden Organismen verwenden Mechanismen und Rückkopplungssysteme um Reproduktion, Überlebenswahrscheinlichkeit, Abwehreffizienz und Konkurrenzfähigkeit in ihrem natürlichen Habitat zu optimieren. Evolutionäre Theorien, wie die von John Philip Grime (1979) entwickelte „universal adaptive strategy theory“ (UAST), versuchen zu beschreiben wie diese Systeme durch eine Balance zwischen Wachstum, Erhaltung und Regeneration, auch gemeinhin bekannt als universeller Dreiwege-Ausgleich, des jeweiligen Organismus limitiert sind. Grime führte dazu drei adaptive Strategien ein, die es Organismen ermöglicht sich an hohe oder niedrige Stress-Intensitäten (z.B. Nahrungsknappheit) oder umweltbedingte Beeinträchtigung (z.B. Jahreszeiten) anzupassen. Der Wettkämpfer ist in der Lage seine Konkurrenz durch eine effiziente Ressourcengewinnung zu überflügeln und ist vor allem bei niedrigem Stresslevel und minimalen umweltbedingten Beeinträchtigungen effizient (z. B. schnelles Wachstum). Ruderale Organismen hingegen durchlaufen den Leben- szyklus in kurzer Zeit und sind damit perfekt an starke umweltbedingte Beeinträchtigungen, wie zum Beispiel Jahreszeiten, angepasst. Allerdings können auch sie nur bei niedrigen Stresslevel effizient wachsen. Die letzte Gruppe von Organismen, die Stresstoleranten sind in der Lage sich an hohen Stressintensitäten mithilfe extremer physiologischer Variabilität anzupassen, können das allerdings nur in Umgebungen mit niedrigen umweltbedingten Beeinträchtigungen. Fleischfressende Pflanzen wie die Venusfliegenfalle (D. muscipula) oder Bärtierchen (M. tardigradum) sind zwei herausragende Beispiele für stresstolerante Organismen. Die Venusfliegenfalle ist in der Lage Insekten mit spezialisierten Blätter, welche eine einzigartige Falle bilden, zu fangen. Die Pflanze kompensiert so die stark verminderte Mengen an wichtigen Makronährstoffen (z.B. Stickstoff) in den Sümpfen von Nord- und Süd-Carolina. Bärtierchen dagegen sind in der Lage in schnell austrocknenden Habitaten wie Moosen oder Flechten, die normalerweise mit einem Wasserfilm überzogen sind, durch eine gesteuerte Entwässerung ihres Körpers zu überleben. Die Stresstoleranz beider Spezies ist zentraler Forschungsschwerpunkt dieser Dissertation. In beiden Fällen wer- den Hochdurchsatz-Methoden zur Sequenzierung verwendet um genomische (Bärtierchen) sowie transkriptomische (Venusfliegenfalle) Anpassungen zu identifizieren, die der enorem Stresstoleranz zugrunde liegen. Um den erhöhten technischen Anforderungen der Datenanal- ysen beider Projekte Rechnung zu tragen wurde in den ersten Monaten der Dissertation eine neue zentrale Rechenumgebung und ein dazugehöriges Speichersystem etabliert. Parallel wurde die Datenmanagementplattform TBro [14] zusammen mit Studenten aufgesetzt, um komplexe biologische Fragestellung mit einem fachübergreifendem Kollegium zu bearbeiten. Danach wurden die einzigartigen Fangfähigkeiten der Venusfliegenfalle mittels einem tran- skriptomischen Ansatz untersucht. Vor allem wurden transkriptionelle Änderungen infolge eines Beutefangs sowie gewebespezifische Aspekte der ruhenden Pflanzen untersucht. Die Analyse zeigte deutlich, dass die Fallen der fleischfressenden Pflanze immer noch Merkmale von typischen „grünen“ Blättern aufweisen. Während des Beutefangs und -verdauens jedoch wird eine Vielzahl an evolutionär konservierten Systemen aktiviert, die bisher nur mit Stres- santworten und zellulärer Verteidigung in Verbindung gebracht worden sind. Die Integration von proteomischen und transkriptomischen Hochdurchsatzdaten ermöglichte es zudem den Verdauungssaft der Venusfliegenfalle genaustens zu beschreiben und wichtige Komponenten der Aufnahmemaschinerie zu identifizieren. Die wissenschaftliche Arbeit [25] und das beglei- tende Videomaterial (https://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-05/cshl-fgr042816.php; Video credit: Sönke Scherzer) erfreute sich einer breiten Berichterstattung in den Medien und unterstreicht die Vorteile der Venusfliegenfalle als experimentelles System um fleis- chfressende Pflanzen besser zu verstehen. Die genomische Analyse des Bärtierchen (M. tardigradum) zielte auf die außerordentliche Stresstoleranz, vor allem auf die Kryptobiose, einen Zustand in dem Stoffwechselvorgänge extrem reduziert sind, ab. Dazu wurden das komplette genetische Erbgut (Genom) entschlüsselt. Die Größe des Genomes wurde bes- timmt und das Erbgut mittels Sequenzierung entschlüsselt. Die gewonnenen Daten wurden zu einer kontinuierlichen Sequenz zusammengesetzt und Gene identifiziert. Der dabei etablierte Arbeitsablauf wurde verwendet um ein weiteres Bärtierchengenom genau zu überprüfen. Im Rahmen dieser Analyse stellte sich heraus, dass eine große Anzahl an Kontaminationen im Genom von H. dujardini vorhanden sind [27]. Das neu etablierte Genom von M. tardigradum wurde im folgenden verwendet um einen speziesübergreifenden Vergleich dreier Bärtierchen und aller Spezies aus der Metazoadatenbank von Ensembl durchzuführen. Die Analyse zeigte, dass Bärtierchengenome sehr viel Ähnlichkeit zu den bereits veröffentlichten Genomen aus dem Überstamm der Urmünder (Protostomia) aufweisen. Die erstmalige Verfügbarkeit aller Bärtierchengenome ermöglichte es zudem, das Phylum der Bärtierchen als Schwester der Nematoden mittels einer phylogenomische Analyse zu platzieren. Die vergleichende Anal- yse identifizierte außerdem zentrale evolutionäre Trends, vor allem einen enormen Verlust an Genen in dieser Linie der Metazoa. Die Analyse ermöglichte es aber nicht, generelle Mechanismen, die zur enormen Stresstoleranz in Bärtierchen führen, artübergreifend zu identifizieren. Vor allem das Fehlen von weiteren molekularen Daten für einzelne Bärtierchen- spezies (z.B. transkriptionelle Daten für M. tardigradum) machten es unmöglich die wenigen genomische Adaptionen mit den physiologischen Besonderheiten der Bärtierchen in Deckung zu bringen. Nichtsdestotrotz konnten die vergleichenden Analysen zeigen, dass Evolution auch innerhalb der Bärtierchen verschiedenste Systeme neu zusammensetzt, neue Funktionen erschafft oder bestehenden Systeme modifiziert und damit die außerordentliche phänotypis- che Variabilität ermöglicht.
KW  - transcriptome
KW  - venus
KW  - flytrap
KW  - defense
KW  - secretion
KW  - jasmonate
KW  - Bärtierchen
KW  - Genom
KW  - Stressresistenz
KW  - Venusfliegenfalle
KW  - Proteom
KW  - Transkriptom
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157109
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kreisz, Philipp
T1  - Group S1 bZIP transcription factors regulate sink tissue development by controlling carbon and nitrogen resource allocation in \(Arabidopsis\) \(thaliana\)
T1  - Gruppe S1 bZIP Transkriptionsfaktoren regulieren die Entwicklung von sink-Geweben durch Kontrolle der Verteilung von Kohlen- und Stickstoff Ressourcen in \(Arabidopsis\) \(thaliana\)
N2  - The evolutionary success of higher plants is largely attributed to their tremendous developmental 
plasticity, which allows them to cope with adverse conditions. However, because these adaptations 
require investments of resources, they must be tightly regulated to avoid unfavourable trade-offs.
Most of the resources required are macronutrients based on carbon and nitrogen. Limitations in the 
availability of these nutrients have major effects on gene expression, metabolism, and overall plant 
morphology. These changes are largely mediated by the highly conserved master kinase SNF1-RELATED 
PROTEIN KINASE1 (SnRK1), which represses growth and induces catabolic processes. Downstream of 
SnRK1, a hub of heterodimerising group C and S1 BASIC LEUCINE ZIPPER (bZIP) transcription factors has 
been identified. These bZIPs act as regulators of nutrient homeostasis and are highly expressed in 
strong sink tissues, such as flowers or the meristems that initiate lateral growth of both shoots and 
roots. However, their potential involvement in controlling developmental responses through their 
impact on resource allocation and usage has been largely neglected so far. Therefore, the objective of 
this work was to elucidate the impact of particularly S1 bZIPs on gene expression, metabolism, and 
plant development.
Due to the high homology and suspected partial redundancy of S1 bZIPs, higher order loss-of-function
mutants were generated using CRISPR-Cas9. The triple mutant bzip2/11/44 showed a variety of robust 
morphological changes but maintained an overall growth comparable to wildtype plants. In detail 
however, seedlings exhibited a strong reduction in primary root length. In addition, floral transition 
was delayed, and siliques and seeds were smaller, indicating a reduced supply of resources to the shoot 
and root apices. However, lateral root density and axillary shoot branching were increased, suggesting
an increased ratio of lateral to apical growth in the mutant. The full group S1 knockout 
bzip1/2/11/44/53 showed similar phenotypes, albeit far more pronounced and accompanied by 
growth retardation. Metabolomic approaches revealed that these architectural changes were
accompanied by reduced sugar levels in distal sink tissues such as flowers and roots. Sugar levels were 
also diminished in leaf apoplasts, indicating that long distance transport of sugars by apoplastic phloem 
loading was impaired in the mutants. In contrast, an increased sugar supply to the proximal axillary 
buds and elevated starch levels in the leaves were measured. In addition, free amino acid levels were 
increased in bzip2/11/44 and bzip1/2/11/44/53, especially for the important transport forms 
asparagine and glutamine. The increased C and N availability in the proximal tissues could be the cause 
of the increased axillary branching in the mutants.
To identify bZIP target genes that might cause the observed shifts in metabolic status, RNAseq
experiments were performed. Strikingly, clade III SUGARS WILL EVENTUALLY BE EXPORTED (SWEET) 
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genes were abundant among the differentially expressed genes. As SWEETs are crucial for sugar export 
to the apoplast and long-distance transport through the phloem, their reduced expression is likely to 
be the cause of the observed changes in sugar allocation. Similarly, the reduced expression of 
GLUTAMINE AMIDOTRANSFERASE 1_2.1 (GAT1_2.1), which exhibits glutaminase activity, could be an 
explanation for the abundance of glutamine in the mutants. Additional experiments (ATAC-seq, DAP� seq, PTA, q-RT-PCR) supported the direct induction of SWEETs and GAT1_2.1 by S1 bZIPs. To confirm 
the involvement of these target genes in the observed S1 bZIP mutant phenotypes, loss-of-function 
mutants were obtained, which showed moderately increased axillary branching. At the same time, the 
induced overexpression of bZIP11 in axillary meristems had the opposite effect. 
Collectively, a model is proposed for the function of S1 bZIPs in regulating sink tissue development. For 
efficient long-distance sugar transport, bZIPs may be required to induce the expression of clade III 
SWEETs. Thus, reduced SWEET expression in the S1 bZIP mutants would lead to a decrease in apoplastic 
sugar loading and a reduced supply to distal sinks such as shoot or root apices. The reduction in long� distance transport could lead to sugar accumulation in the leaves, which would then increasingly be
transported via symplastic routes towards proximal sinks such as axillary branches and lateral roots or
sequestered as starch. The reduced GAT1_2.1 levels lead to an abundance of glutamine, a major 
nitrogen transport form. The combined effect on C and N allocation results in increased nutrient 
availability in proximal tissues, promoting the formation of lateral plant organs. Alongside emerging 
evidence highlighting the power of bZIPs to steer nutrient allocation in other species, a novel but
evolutionary conserved role for S1 bZIPs as regulators of developmental plasticity is proposed, while
the generation of valuable data sets and novel genetic resources will help to gain a deeper 
understanding of the molecular mechanisms involved
N2  - Der evolutionäre Erfolg höherer Pflanzen wird weitgehend auf ihre enorme Entwicklungsplastizität 
zurückgeführt, die es ihnen ermöglicht, widrigen Bedingungen zu trotzen. Da diese Anpassungen 
jedoch einen immensen Ressourceneinsatz erfordern, müssen sie streng reguliert werden, um 
unvorteilhafte Reaktionen zu vermeiden. Den Großteil der benötigten Ressourcen machen 
Makronährstoffe auf der Basis von Kohlenstoff und Stickstoff aus. Eine eingeschränkte Verfügbarkeit 
dieser Nährstoffe hat erhebliche Auswirkungen auf die Genexpression, den Stoffwechsel und die 
Morphologie der Pflanzen. Diese Veränderungen werden größtenteils durch die hochkonservierte 
Kinase SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1) vermittelt, die das Wachstum unterdrückt und 
katabole Prozesse einleitet. Downstream von SnRK1 wurde ein Netzwerk von heterodimerisierenden 
Transkriptionsfaktoren der Gruppe C und S1 BASIC LEUCINE ZIPPER (bZIP) identifiziert. Diese bZIPs 
wirken als Regulatoren der Nährstoffhomöostase und werden vor allem in starken sink-Geweben wie 
Blüten oder den Meristemen, die das Seitenwachstum von Sprossen und Wurzeln ermöglichen, 
exprimiert. Ihre potenzielle Beteiligung an der Steuerung von Entwicklungsreaktionen durch ihren 
Einfluss auf die Ressourcenzuteilung und -nutzung wurde bisher jedoch weitgehend vernachlässigt. 
Ziel dieser Arbeit war es daher, die Auswirkungen insbesondere von S1 bZIPs auf die Genexpression, 
den Stoffwechsel und die Pflanzenentwicklung zu erforschen.
Aufgrund der hohen Homologie und der vermuteten teilweisen Redundanz der S1 bZIPs wurden 
mithilfe von CRISPR-Cas9 loss-of-function Mutanten höherer Ordnung erzeugt. Die Dreifachmutante 
bzip2/11/44 zeigte eine Vielzahl robuster morphologischer Veränderungen, behielt aber insgesamt ein 
mit Wildtyp-Pflanzen vergleichbares Wachstum bei. Im Detail jedoch wiesen die Keimlinge eine starke 
Verringerung der Primärwurzellänge auf. Darüber hinaus verzögerte sich der Blühzeitpunkt, und die 
Schoten und Samen waren kleiner, was auf eine geringere Versorgung der Spross- und Wurzelspitzen 
mit Ressourcen hinweist. Die Dichte der Seitenwurzeln und die axilläre Verzweigung des Sprosses 
waren jedoch erhöht, was auf ein erhöhtes Verhältnis von lateralem zu apikalem Wachstum in der 
Mutante hindeutet. Die Knockout-Mutante bzip1/2/11/44/53 zeigte ähnliche Phänotypen, wenn auch 
weitaus ausgeprägter und begleitet von Wachstumsverzögerungen. Metabolische Untersuchungen 
ergaben, dass diese Veränderungen in der Architektur mit reduzierten Zuckerspiegeln in distalen sink� Geweben wie Blüten und Wurzeln einhergingen. Die Zuckerspiegel waren auch in den Apoplasten der 
Blätter vermindert, was darauf hindeutet, dass der Ferntransport von Zucker durch apoplastische 
Phloembeladung in den Mutanten beeinträchtigt war. Im Gegensatz dazu wurden eine erhöhte 
Zuckerzufuhr zu den proximalen Achselknospen und erhöhte Stärkekonzentrationen in den Blättern 
gemessen. Zusätzlich war die Konzentration freier Aminosäuren in bzip2/11/44 und bzip1/2/11/44/53
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erhöht, insbesondere für die wichtigen Transportformen Asparagin und Glutamin. Die erhöhte C- und 
N-Verfügbarkeit in den proximalen Geweben könnte die Ursache für die verstärkte axilläre 
Verzweigung in den Mutanten sein.
Um bZIP-Zielgene zu identifizieren, die die beobachteten Verschiebungen im Stoffwechselstatus 
verursachen könnten, wurden RNAseq-Experimente durchgeführt. Auffallend ist, dass die Gene der 
Gruppe III SUGARS WILL EVENTUALLY BE EXPORTED (SWEET) unter den unterschiedlich exprimierten 
Genen sehr häufig vorkamen. Da SWEETs für den Zuckerexport in den Apoplasten und den 
Langstreckentransport durch das Phloem von entscheidender Bedeutung sind, ist ihre verringerte 
Expression wahrscheinlich die Ursache für die beobachteten Veränderungen in der Zuckerallokation. 
Ebenso könnte die verringerte Expression von GLUTAMIN AMIDOTRANSFERASE 1_2.1 (GAT1_2.1), die 
Glutaminase-Aktivität aufweist, eine Erklärung für die Häufigkeit von Glutamin in den Mutanten sein. 
Zusätzliche Experimente (ATAC-seq, DAP-seq, PTA, q-RT-PCR) bestätigten die direkte Induktion von 
SWEETs und GAT1_2.1 durch S1 bZIPs. Um die Beteiligung dieser Zielgene an den in den S1 bZIP� Mutanten beobachteten Phänotypen zu bestätigen, wurden loss-of-function-Mutanten untersucht, 
die eine mäßig erhöhte axilläre Verzweigung aufwiesen. Gleichzeitig hatte die induzierte 
Überexpression von bZIP11 in axillären Meristemen den gegenteiligen Effekt. 
Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein Modell für die Funktion von S1 bZIPs bei der Regulierung der 
Entwicklung von sink-Geweben vorgeschlagen. Für einen effizienten Zuckertransport über große 
Entfernungen könnten bZIPs erforderlich sein, um die Expression von SWEETs der Gruppe III zu 
induzieren. Eine verringerte SWEET-Expression in den S1 bZIP-Mutanten würde zu einem Rückgang der 
apoplastischen Zuckerbeladung und einer verringerten Versorgung von distalen sink-Geweben wie den 
Spross- oder Wurzelspitzen führen. Die Verringerung des Ferntransports könnte zu einer Anhäufung 
von Zucker in den Blättern führen, der dann verstärkt über symplastische Wege zu proximalen sink� Geweben wie den axillären Meristem und Seitenwurzeln transportiert oder als Stärke gespeichert
wird. Die verringerte GAT1_2.1 Expression führt zu einem Überfluss an Glutamin, einer wichtigen 
Stickstofftransportform. Die kombinierte Wirkung auf die C- und N-Allokation führt zu einer erhöhten 
Nährstoffverfügbarkeit in den proximalen Geweben und fördert die Bildung von seitlichen 
Pflanzenorganen. Neben neuen Erkenntnissen, die die Wirksamkeit von bZIPs bei der Steuerung der 
Nährstoffallokation in anderen Arten unterstreichen, wird eine neuartige, jedoch evolutionär 
konservierte Rolle für S1 bZIPs als Regulatoren der Entwicklungsplastizität vorgeschlagen, während die 
Generierung wertvoller Datensätze und neuer genetischer Ressourcen dazu beitragen wird, ein 
tieferes Verständnis der beteiligten molekularen Mechanismen zu gewinnen.
KW  - Molekularbiologie
KW  - Sugar allocation
KW  - Nitrogen allocation
KW  - Basic leucine zipper
KW  - Developmental plasticity
KW  - CRISPR Cas9
KW  - Ackerschmalwand
KW  - CRISPR/Cas-Methode
KW  - Arabidopsis thaliana
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321925
ER  -