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Identifizierung und Charakterisierung von Transkriptionsfaktoren in der pflanzlichen Antwort auf das Oxylipin 9-Hydroxyoktadekatriensäure (9-HOT)

Identification and characterization of transcription factors in the plant signaling Response to the oxylipin 9-hydroxyoctadekatrienoic acid (9-HOT)

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-128047
  • Oxylipine werden in der Pflanze unter Stressbedingungen gebildet. Die dafür notwendige Oxidation von Fettsäuren wird entweder nicht-enzymatisch über Radikale wie reaktive Sauerstoffspezies (ROS) oder enzymatisch über Lipoxygenasen katalysiert. Abhängig von der Position der Oxidation in der Fettsäure entstehen dabei C13- oder C9-Oxylipine. Sehr gut erforscht sind C13-Oxylipine wie Jasmonsäure (JA), die bei biotischem Stress und Verwundung gebildet werden und bei exogener Gabe das Wurzelwachstum von Arabidopsis thaliana hemmen. Die C9-OxylipineOxylipine werden in der Pflanze unter Stressbedingungen gebildet. Die dafür notwendige Oxidation von Fettsäuren wird entweder nicht-enzymatisch über Radikale wie reaktive Sauerstoffspezies (ROS) oder enzymatisch über Lipoxygenasen katalysiert. Abhängig von der Position der Oxidation in der Fettsäure entstehen dabei C13- oder C9-Oxylipine. Sehr gut erforscht sind C13-Oxylipine wie Jasmonsäure (JA), die bei biotischem Stress und Verwundung gebildet werden und bei exogener Gabe das Wurzelwachstum von Arabidopsis thaliana hemmen. Die C9-Oxylipine wie 9-Hydroxyoktadekatriensäure (9-HOT) sind erst wenig erforscht. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung von Transkriptionsfaktoren, mit dem Fokus auf 9-HOT-vermittelte Signalwegen in Arabidopsis thaliana. Da bekannt ist, dass auch sie zu einer Hemmung des Wurzelwachstums führen, wurde dazu die Untersuchung des Wurzelwachstums von 10 Tage alten Keimlingen etabliert. Funktionsgewinn-Mutanten des Transkriptionsfaktors TGA5 sowie des TGA5-Zielgens CYTOCHROM P450 MONOOXYGENASE CYP81D11 zeigten auf 9-HOT ein verglichen mit Col-0 deutlich besseres Wurzelwachstum. Die AtTORF-Ex-Kollektion, eine große Sammlung an Überexpressions-Linien verschiedener Transkriptionsfaktoren, wurde hinsichtlich Wurzelwachstums auf dem Oxylipin 9-HOT analysiert. Die Gesamtheit der untersuchten Pflanzen enthielt 263 unabhängige TF-Expressions-Konstrukte. Von 6087 untersuchten Pflanzen zeigten 201 Pflanzen keine Hemmung des Wurzelwachstums auf 9-HOT. Dabei konnten 80 verschiedene Transkriptionsfaktoren identifiziert werden, deren Überexpression die Wurzelwachstums-hemmende Wirkung von 9-HOT kompensiert. Es zeigte sich eine Häufung von Transkriptionsfaktoren der ERF- (ethylene responsive factor) Familie. Die verstärkte Expression der nahe verwandten Transkriptionsfaktoren ERF106 und ERF107 ermöglichte sowohl auf 9-HOT als auch auf 9-KOT ein längeres Wurzelwachstum im Vergleich zum Wildtyp. Die Genexpression von ERF106 und ERF107 wird durch Überflutung aktiviert. Durch Überflutung wird im Wildtyp die Expression von Hypoxia-Antwort-Genen wie HRE1, SUS4 oder PDC1 induziert. In den Funktionsverlust-Mutanten sind diese Gene in der Expression aber nicht beeinflusst. Auch ist nach Überflutung im normalen Tag / Nacht-Rhythmus kein signifikanter Unterschied im Überleben zwischen Col-0 und den Mutanten erf106, erf107 und erf106xerf107 nachweisbar. Zur Identifikation möglicher Ziel-Gene von ERF106 und ERF107 wurden Transkriptom-Analysen durchgeführt. Die Funktionsverlust-Mutanten erf106, erf107 und erf106xerf107 zeigten weder im Grundzustand noch nach 4 Stunden Überflutung Veränderungen in den bekannten Hypoxia-Antwort-Genen. Die Funktionsgewinn-Mutanten von ERF106 und ERF107 zeigten in der Transkriptom-Analyse eine deutliche Aktivierung von Genen, die wichtig für Entgiftung und Stressabwehr sind. Ebenso wurden wichtige Biosynthese-Gene aus der Camalexin- und Glukosinolat-Synthese in den Funktionsgewinn-Mutanten verstärkt exprimiert. Des Weiteren konnte eine verringerte Expression von Genen beobachtet werden, die wichtig für die Regulation der Eisen-Aufnahme sind, darunter bHLH-Transkriptionsfaktoren, der Eisen-Transporter IRON REGULATED TRANSPORTER 1 (IRT1) und die Eisen-Reduktase FERRIC REDUCTION OXIDASE 2 (FRO2). Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit durch die Untersuchung der AtTORF-Ex-Kollektion mehrere TF identifiziert, die wichtige Abwehr-Gene gegen Stress- und Vergiftung sowie bedeutende Gene im Bereich der Biosynthese und Eisenaufnahme regulieren können, um so die Antwort auf C9-Oxylipine zu beeinflussen.show moreshow less
  • Oxylipins are built under stress conditions. They are the results of fatty acids oxidation that occurs either non-enzymatically by the action of free radicals like reactive oxygen species (ROS) or enzymatically by lipoxygenases conversion. There are two kinds of oxylipins, C13- or C9-, according to the position of the oxidation on the fatty acid back bone. Whereas C13-oxlipins like jasmonic acid (JA) are well characterized, little is known about C9-oxylipins like 9-hydroxyoctadecatrienoic acid (9-HOT). Both of them are generated as consequenceOxylipins are built under stress conditions. They are the results of fatty acids oxidation that occurs either non-enzymatically by the action of free radicals like reactive oxygen species (ROS) or enzymatically by lipoxygenases conversion. There are two kinds of oxylipins, C13- or C9-, according to the position of the oxidation on the fatty acid back bone. Whereas C13-oxlipins like jasmonic acid (JA) are well characterized, little is known about C9-oxylipins like 9-hydroxyoctadecatrienoic acid (9-HOT). Both of them are generated as consequence of biotic stress or wounding and a common phenotypical mark is their ability to inhibit root growth of Arabidopsis seedlings. Preliminary studies have demonstrated that overexpression of the transcription factor TGA5 or its target gene CYTOCHROM P450 MONOOXYGENASE CYP81D11 make the plants more resistant than wildtype Col-0 to oxylipins-driven root inhibition. The aim of the work presented in this thesis was to identify and characterize transcription factors involved in 9-HOT induced signaling. At the beginning, a screening aiming at the identification of transcription factors involved in the 9-HOT signaling was set up. The root growth of 10 day old seedlings from the AtTORF-Ex-collection grown on 9-HOT containing medium was analyzed. All analyzed plants harbor 263 independent TF expression constructs. Of 6087 analyzed plants 201 plants showed no inhibition of root growth on 9-HOT. Plant overexpressing 80 different transcription factors showed a long root-phenotype on 9-HOT containing medium, indicating that in this plants the 9-HOT activated signaling was impaired. Among them, ERF-transcription factor family was overrepresented. Overexpression of the closely related ERF106 and ERF107 enabled longer root growth compared to wild-type on 9-HOT as well as on 9-KOT. Analysis of the stimuli inducing the alteration of the expression of ERF106 and ERF107, identified submergence as one of the main one. Under hypoxic conditions in wildtype, the expression of hypoxia-response-genes like HRE1, SUS4 or PDC1 is induced. Expression levels of these genes are not affected in erf106, erf107 and erf106xerf107 loss-of-function mutants. Examination of the survival rate after submergence did not reveal significant differences between Col-0 and the loss-of-function-mutants erf106, erf107 und erf106xerf107, at least under normal day-night-rhythm. To identify target genes of ERF106 and ERF107, transcriptome analysis were performed. The loss-of-function-mutants erf106, erf107 and of their double mutant did not show any differences in the known hypoxia responses, neither in control nor 4 hours after submergence. The gain-of-function-mutants of ERF106 and ERF107 exhibit a distinct gene activation of genes important for detoxification and stress regulation and defense. Moreover, genes for camalexin and glucosinolate biosynthesis pathway were up-regulated in these gain-of-function mutants. Genes crucial for regulation of iron uptake like bHLH transcription factors, iron transporter IRON REGULATED TRANSPORTER 1 (IRT1) and iron reductase FERRIC REDUCTION OXIDASE 2 (FRO2), whereas, show a reduced expression in these mutants. The analysis of the AtTORF-Ex-collection revealed some interesting TFs that can regulate genes important for stress response and detoxification, and thereby influence the response to C9-oxylipins.show moreshow less

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Metadaten
Author: Elisabeth Walper [geb. Schwarz]
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-128047
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Wolfgang Dröge-Laser, PD Dr. Dirk Becker
Date of final exam:2016/02/25
Language:German
Year of Completion:2020
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-12804
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Oxylipine; Transkriptionsfaktor
Tag:9-HOT; 9-Hydroxyoktadekatriensäure; AtTORF-Ex-Kollektion; Signalling; Stress
Release Date:2020/01/10
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