Understanding male sterility in Miconia species (Melastomataceae): a morphological approach

Pollen abortion occurs in virtually all species and often does not prejudice reproductive success. However, large numbers of abnormal pollen grains are characteristic of some groups. Among them is Miconia, in which partial and complete male sterility is often related to apomixis. In this study, we compared the morphology of pollen grains over several developmental stages in Miconia species with different rates of male sterility. Our aim was to improve the knowledge of mechanisms that lead to male sterility in this ecologically important tropical group. Routine techniques for microscopy were used to examine anthers in several developmental stages collected from the apomictic species Miconia albicans and M. stenostachya. Both species are completely male sterile since even the pollen grains with apparently normal cytoplasm were not able to develop a pollen tube. Meiosis is a rare event in M. albicans anthers and happens in an irregular way in M. stenostachya, leading to the pollen abortion. M. albicans has more severe abnormalities than M. stenostachya since even the microspores and pollen grain walls were affected. Moreover, in M. stenostachya, most mitosis occurring during microgametogenesis was also abnormal, leading to the formation of bicellular pollen grains with two similar cells, in addition to the formation of pollen grains of different sizes. Notably, abnormalities in both species did not reach the production of Ubisch bodies, suggesting little or no tapetum involvement in male sterility in these two species.

Germline-Specific MATH-BTB Substrate Adaptor MAB1 Regulates Spindle Length and Nuclei Identity in Maize

Germline and early embryo development constitute ideal model systems to study the establishment of polarity, cell identity, and asymmetric cell divisions (ACDs) in plants. We describe here the function of the MATH-BTB domain protein MAB1 that is exclusively expressed in the germ lineages and the zygote of maize (Zea mays). mab1 (RNA interference [RNAi]) mutant plants display chromosome segregation defects and short spindles during meiosis that cause insufficient separation and migration of nuclei. After the meiosis-to-mitosis transition, two attached nuclei of similar identity are formed in mab1 (RNAi) mutants leading to an arrest of further germline development. Transient expression studies of MAB1 in tobacco (Nicotiana tabacum) Bright Yellow-2 cells revealed a cell cycle-dependent nuclear localization pattern but no direct colocalization with the spindle apparatus. MAB1 is able to form homodimers and interacts with the E3 ubiquitin ligase component Cullin 3a (CUL3a) in the cytoplasm, likely as a substrate-specific adapter protein. The microtubule-severing subunit p60 of katanin was identified as a candidate substrate for MAB1, suggesting that MAB1 resembles the animal key ACD regulator Maternal Effect Lethal 26 (MEL-26). In summary, our findings provide further evidence for the importance of posttranslational regulation for asymmetric divisions and germline progression in plants and identified an unstable key protein that seems to be involved in regulating the stability of a spindle apparatus regulator(s).

Pre-procambial cells are niches for pluripotent and totipotent stem-like cells for organogenesis and somatic embryogenesis in the peach palm: a histological study

The direct induction of adventitious buds and somatic embryos from explants is a morphogenetic process that is under the influence of exogenous plant growth regulators and its interactions with endogenous phytohormones. We performed an in vitro histological analysis in peach palm (Bactris gasipaes Kunth) shoot apexes and determined that the positioning of competent cells and their interaction with neighboring cells, under the influence of combinations of exogenously applied growth regulators (NAA/BAP and NAA/TDZ), allows the pre-procambial cells (PPCs) to act in different morphogenic pathways to establish niche competent cells. It is likely that there has been a habituation phenomenon during the regeneration and development of the microplants. This includes promoting the tillering of primary or secondary buds due to culturing in the absence of NAA/BAP or NAA/TDZ after a period in the presence of these growth regulators. Histological analyses determined that the adventitious roots were derived from the dedifferentiation of the parenchymal cells located in the basal region of the adventitious buds, with the establishment of rooting pole, due to an auxin gradient. Furthermore, histological and histochemical analyses allowed us to characterize how the PPCs provide niches for multipotent, pluripotent and totipotent stem-like cells for vascular differentiation, organogenesis and somatic embryogenesis in the peach palm. The histological and histochemical analyses also allowed us to detect the unicellular or multicellular origin of somatic embryogenesis. Therefore, our results indicate that the use of growth regulators in microplants can lead to habituation and to different morphogenic pathways leading to potential niche establishment, depending on the positioning of the competent cells and their interaction with neighboring cells. Key message Our results indicate that the use of growth regulators in microplants can lead to habituation and to different morphogenic pathways leading to potential niche establishment, depending on the positioning of the competent cells and their interaction with neighboring cells.

Salt stress responses in pear and quince: physiological and molecular aspects

The productivity of agricultural crops is seriously limited by salinity. This problem is rapidly increasing, particularly in irrigated lands. Like almost all the fruit tree species, Pyrus communis is generally considered a salt sensitive species, but only little information is available on its behavior under saline conditions. Previous studies, carried out in the Department of Fruit Tree and Woody Plant Science (University of Bologna), focused their attention on pear and quince salt stress responses to understand which rootstock would be the most suitable for pear in order to tolerate a salt stress condition. It has been reported that pear and quince have different ability in the uptake, translocation and accumulation of chloride (Cl-) and sodium (Na+) ions, when plants were irrigated for one season with saline water (5 dS/m). The aim of the present work was to deepen these aspects and investigate salt stress responses in pear and quince. Two different experiments have been performed: a “short-term” trial in a growth chamber and a “long-term” experiment in the open field. In the short-term experiment, three different genotypes usually adopted as pear rootstocks (MC, BA29 and Farold®40) and the pear variety Abbé Fétel own rooted have been compared under salt stress conditions. The trial was performed in a hydroponic culture system, applying a 90 mM NaCl stress to half of the plants, after five weeks of normal growth in Hoagland’s solution. During the three-weeks of salt stress treatment, physiological, mineral and molecular analyses were performed in order to monitor, for each genotype, the development of the salt stress responses in comparison with the corresponding “unstressed” plants. Farold®40 and Abbé Fétel own rooted showed the onset of leaf necrosis, due to salt toxicity, one week before quinces. Moreover, quinces displayed a significant delay in premature senescence of old leaves, while pears emerged for their ability to regenerate new leaves from apparently dead foliage with the salt stress still running. Physiological measurements, such as shoots length, chlorophyll (Chl) content, and photosynthesis, have been carried out and revealed that pears exhibited a significant reduction in water content and a wilting aspect, while for quinces a decrease in Chl content and a growth slowdown were observed. At the end of the trial, all plants were collected and organs separated for dry weight estimation and mineral analyses (Cu, Fe, Mn, Zn Mg, Ca, K, Na and Cl). Mineral contents have been affected by salinity; same macro/micro nutrients were altered in some organs or relocated within the plant. This plant response could have partially contributed to face the salt stress. Leaves and roots have been harvested for molecular analyses at four different times during stress conditions. Molecular analyses consisted of the gene expression study of three main ion transporters, well known in Arabidopsis thaliana as salt-tolerance determinants in the “SOS” pathway: NHX1 (tonoplast Na+/H+ antiporter), SOS1 (plasmalemma Na+/H+ antiporter) and HKT1 (K+ high-affinity and Na+ low-affinity transporter). These studies showed that two quince rootstocks adopted different responsive mechanisms to NaCl stress. BA29 increased its Na+ sequestration activity into leaf vacuoles, while MC enhanced temporarily the same ability, but in roots. Farold®40, instead, exhibited increases in SOS1 and HKT1 expression mainly at leaf level in the attempt to retrieve Na+ from xylem, while Abbé Fétel differently altered the expression of these genes in roots. Finally, each genotype showed a peculiar response to salt stress that was the sum of its ability in Na+ exclusion, osmotic tolerance and tissue tolerance. In the long-term experiment, potted trees of the pear variety Abbé Fétel grafted on different rootstocks (MC, BA29 and Farold®40), or own rooted and also rootstocks only were subjected to a salt stress through saline water irrigation with an electrical conductivity of 5 dS/m for two years. The purposes of this study were to evaluate salinity effects on physiological (shoot length, number of buds, photosynthesis, etc.) and yield parameters of cultivar Abbé Fétel in the different combinations and to determine the salt amount that pear is able to tolerate over the years. With this work, we confirmed the previous hypothesis that pear, despite being classified as a salt-sensitive fruit tree, can be cultivated for two years under saline water irrigation, without showing any salt toxicity symptoms or severe drawbacks on plant development and production. Among different combinations, Abbé Fétel grafted on MC resulted interesting for its peculiar behaviors under salt stress conditions. In the near future, further investigations on physiological and molecular aspects will be necessary to enrich and broaden the knowledge of salt stress responses in pear.

Transformation von Osteospermum ecklonis mit Konstrukten zur Induktion von Virusresistenz und Blühverfrühung

Für die Etablierung einer Transformationsmethode züchterisch relevanter Sorten von Osteospermum ecklonis (Kapmargerite) wurde zunächst ein geeignetes Protokoll für die Regeneration adventiver Sprosse aus vegetativem Gewebe entwickelt. Anschließend wurden Transformationen von Markergenen durch Kokultur mit Agrobacterium tumefaciens durchgeführt. Hierzu wurden Konstrukte verwendet, die das Gen für ß-D-Glucuronidase (GUS) enthielten und deren Expression in transgenen Pflanzen histochemisch nachgewiesen werden konnte. Kanamycinresistenz erwies sich als geeigneter Selektionsmarker für die Transformation. Es konnten von verschiedenen O. ecklonis Sorten GUS-transgene, nicht-chimäre Pflanzen regeneriert werden.Zur Erzeugung transgener Pflanzen mit dem Ziel der Resistenz gegen LMV (lettuce mosaic potyvirus, Salat Mosaik Virus) wurden drei Konstrukte verwendet. Das erste enthält die kodierende Sequenz der Virusproteine VPg, Pro und 6K2. Durch PCR-Mutation wurde die Proteinase-Schnittstelle zwischen 6K2 und VPg zerstört, sowie Start- und Stopcodon eingeführt. Die anderen LMV-abgeleiteten Konstrukte enthalten nicht translatierbare Fragmente des coat protein Gens in sense und antisense Orientierung.Außerdem wurde O. ecklonis noch mit dem Gen des mutmaßlichen Transkriptionsfaktor SPL3 aus Arabidopsis thaliana unter der Kontrolle eines konstitutiven Promotors transformiert. SPL3 ist an der Regulierung der Blüteninduktion in A. thaliana beteiligt.Regenerierte O. ecklonis wurden durch PCR mit konstruktspezifischen Primern auf Anwesenheit des Transgens und Kontamination durch A. tumefaciens überprüft.

DNA-Array-Technologie

Es wurde ein genomischer DNA-Array der Modellpflanze Arabidopsis thaliana mit einer 13.800 EST-Klone umfassenden cDNA-Bibliothek entwickelt und in der Genexpressionsanalyse der pflanzlichen Pathogenabwehr eingesetzt. Mittels PCR-Amplifikation sind 13.000 PCR-Produkte der cDNA-Fragmente hergestellt worden, mit denen 66 genomische Arabidopsis-Arrays auf Nylon und Polypropylen als Trägermaterial hergestellt werden konnten. Die Validierung mit Fluoreszenz- und Radiaktivhybridisierung sowie der Vergleich von drei Normalisierungsmethoden führte zu reproduzierbaren Ergebnissen bei hohem Korrelationskoeffizienten. Die etablierte DNA-Array-Technologie wurde zur Genexpressionsanalyse der pathogeninduzierten Abwehrmechanismen der Pflanze Arabidopsis thaliana in den ersten 24 Stunden nach Infektion mit dem avirulenten Bakterium Pseudomonas syringae pv. tomato eingesetzt. In einer Auswahl von 75 Genen der Stoffwechselwege Glycolyse, Citrat-Cyclus, Pentosephosphat-Cyclus und Glyoxylatmetabolismus konnte für 25 % der Gene, im Shikimat-, Tryptophan- und Phenylpropanoidsyntheseweg für 60 % der Gene eine erhöhte Transkriptionsrate nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit stimmen mit experimentellen Daten verschiedener unabhängiger Studien zur pflanzlichen Pathogenantwort überein. Darüberhinaus sind erstmals Transkriptionsprofile von bisher auf Transkriptionsebene nicht untersuchten Genen erstellt worden. Diese Ergebnisse bestätigen die transkriptionelle Aktivierung ganzer Stoffwechselwege und gewähren erstmals einen Einblick in die koordinierte differentielle Transkription ganzer Stoffwechselwege während der Pathogenabwehr.

Untersuchung der Pigment- und Proteinzusammensetzung der peripheren Lichtsammelantenne des Photosystem I

Die Lichtsammelantenne des PSI (LHCI) ist hinsichtlich ihrer Protein- und Pigmentzusammensetzung weniger gut untersucht als die des PSII. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb zunächst die Isolation von nativen LHCI-Subkomplexen optimiert und deren Pigmentzusammensetzung untersucht. Zusätzlich wurde die Pigmentbindung analysiert sowie das Pigment/Protein-Verhältnis bestimmt. Die Analyse der Proteinzusammensetzung des LHCI erfolgte mittels einer Kombination aus ein- oder zweidimensionaler Gelelektrophorese mit Westernblotanalysen mit Lhca-Protein-spezifischen Antikörpern und massenspektrometrischen Untersuchungen. Dabei stellte sich heraus, dass der LHCI mehr Proteine bzw. Proteinisoformen enthält als bisher vermutet. So gelang durch die massenspektrometrischen Untersuchungen die Identifizierung zweier bisher noch nicht nachgewiesener Lhca-Proteine. Bei diesen handelt es sich um eine Isoform des Lhca4 und ein zusätzliches Lhca-Protein, das Tomaten-Homolog des Lhca5 von Arabidopsis thaliana. Außerdem wurden in 1D-Gelen Isoformen von Lhca-Proteinen mit unterschiedlichem elektrophoretischen Verhalten beobachtet. In 2D-Gelen trat zusätzlich eine große Anzahl an Isoformen mit unterschiedlichen isoelektrischen Punkten auf. Es ist zu vermuten, dass zumindest ein Teil dieser Isoformen physiologischen Ursprungs ist, und z.B. durch differentielle Prozessierung oder posttranslationale Modifikationen verursacht wird, wenn auch die Spotvielfalt in 2D-Gelen wohl eher auf die Probenaufbereitung zurückzuführen ist. Mittels in vitro-Rekonstitution mit anschließenden biochemischen Untersuchungen und Fluoreszenzmessungen wurde nachgewiesen, dass Lhca5 ein funktioneller LHC mit spezifischen Pigmentbindungseigenschaften ist. Außerdem zeigten in vitro-Dimerisierungsexperimente eine Interaktion zwischen Lhca1 und Lhca5, wodurch dessen Zugehörigkeit zur Antenne des PSI gestützt wird. In vitro-Dimerisierungsexperimente mit Lhca2 und Lhca3 führten dagegen nicht zur Bildung von Dimeren. Dies zeigt, dass die Interaktion in potentiellen Homo- oder Heterodimeren aus Lhca2 und/oder Lhca3 schwächer ist als die zwischen Lhca1 und Lhca4 oder Lhca5. Die beobachtete Proteinheterogenität deutet daraufhin, dass die Antenne des PSI eine komplexere Zusammensetzung hat als bisher angenommen. Für die Integration „neuer“ LHC in den PSI-LHCI-Holokomplex werden zwei Modelle vorgeschlagen: geht man von einer festen Anzahl von LHCI-Monomeren aus, so kann sie durch den Austausch einzelner LHC-Monomere erreicht werden. Als zweites Szenario ist die Bindung zusätzlicher LHC vorstellbar, die entweder indirekt über bereits vorhandene LHC oder direkt über PSI-Kernuntereinheiten mit dem PSI interagieren. In Hinblick auf die Pigmentbindung der nativen LHCI-Subfraktionen konnte gezeigt werden, dass sie Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie und Anzahl binden, und sich vom LHCIIb vor allem durch eine verstärkte Bindung von Chlorophyll a, eine geringere Anzahl von Carotinoiden und die Bindung von ß-Carotin an Stelle von Neoxanthin unterscheiden. Der Vergleich von nativem LHCI mit rekonstituierten Lhca-Proteinen ergab, dass Lhca-Proteine Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie binden, und dass sie Carotinoidbindungsstellen mit flexiblen Bindungseigenschaften besitzen. Auch über die Umwandlung des an die einzelnen Lhca-Proteine gebundenen Violaxanthins (Vio) im Xanthophyllzyklus war nur wenig bekannt. Deshalb wurden mit Hilfe eines in vitro-Deepoxidationssystems sowohl native als auch rekonstituierte LHCI hinsichtlich ihrer Deepoxidationseigenschaften untersucht und der Deepoxidationsgrad von in vivo deepoxidierten Pigment-Protein-Komplexen bestimmt. Aus den Deepoxidationsexperimenten konnte abgeleitet werden, dass in den verschiedenen Lhca-Proteinen unterschiedliche Carotinoidbindungsstellen besetzt sind. Außerdem bestätigten diese Experimente, dass der Xanthophyllzyklus auch im LHCI auftritt, wobei jedoch ein niedrigerer Deepoxidationsgrad erreicht wird als bei LHCII. Dies konnte durch in vitro-Deepoxidationsversuchen auf eine geringere Deepoxidierbarkeit des von Lhca1 und Lhca2 gebundenen Vio zurückgeführt werden. Damit scheint Vio in diesen Lhca-Proteinen eher eine strukturelle Rolle zu übernehmen. Eine photoprotektive Funktion von Zeaxanthin im PSI wäre folglich auf Lhca3 und Lhca4 beschränkt. Damit enthält jede LHCI-Subfraktion ein LHC-Monomer mit langwelliger Fluoreszenz, das möglicherweise am Lichtschutz beteiligt ist. Insgesamt zeigten die Untersuchungen der Pigmentbindung, der Deepoxidierung und der Fluoreszenzeigenschaften, dass sich die verschiedenen Lhca-Proteine in einem oder mehreren dieser Parameter unterscheiden. Dies lässt vermuten, dass schon durch leichte Veränderungen in der Proteinzusammensetzung des LHCI eine Anpassung an unterschiedliche Licht-verhältnisse erreicht werden kann.

Genetische Kartierung und QTL-Analyse agronomischer Eigenschaften der Weinrebe unter besonderer Berücksichtigung der Pilzresistenz

153 Nachkommen einer Kreuzung aus der pilzresistenten Rebsorte ‘Regent‘ und ‘Lemberger‘ als klassischer pilzsensitiver Sorte zeigen quantitative Merkmalsvariation bezüglich der Resistenz gegen Plasmopara viticola und Uncinula necator sowie für weitere Eigenschaften, die z.B. das Eintreten der Beerenreife betreffen. Auf dem Weg über die genetische Kartierung mit molekularen Markern und der Lokalisierung von QTL-Effekten konnten Hinweise auf weinbaulich relevante Genomregionen gewonnen werden; dies liefert z.B. die Basis für markergestützte Selektion bei Zuchtvorhaben mit dem Resistenzträger ‘Regent’ (vgl. auch FISCHER et al., 2004). Ein Major-QTL für die Resistenz gegen den Echten Mehltau Uncinula necator sowie zwei Major QTL für die Resistenz gegen den Erreger des Falschen Mehltau, Plasmopara viticola, traten mit hoher Signifikanz auf drei verschiedenen Kopplungsgruppen von ‘Regent‘ auf. Auch Regionen mit Relevanz für das Eintreten der Beerenreife wurden beschrieben. Über die Isolierung, Sequenzierung und anschließende Analyse einzelner Markerfragmente mit Methoden der Bioinformatik ist es gelungen, ein putatives T10P12.4-Ortholog der Weinrebe (ein thioredoxinähnliches Protein) in enger Kopplung zu einem Major-QTL-Maximum für Plasmopara viticola-Resistenz zu identifizieren, das als Kandidat für die Beteiligung an der Pathogenantwort in Frage kommt. Es konnte exemplarisch gezeigt werden, dass die eingesetzten Methoden der Kartierung und QTL-Analyse unter Verwendung PCR-basierter Markertypen wie SSR und AFLP und einer beschleunigten Analyse über computergestützte Kapillargelelektrophorese in vertretbarem Zeitrahmen bis zur Isolation potentieller Schlüsselgene führen können. Die grundsätzliche Eignung der QTL-Analyse als effizientes Werkzeug gezielter Züchtungsplanung für den Weinbau bestätigte sich. Ihre Anwendung im Rahmen der vorliegenden Dissertation hat die Basis für die Nutzung von QTL-Information bei dem Vergleich etablierter und der Entwicklung neuer Sorten gelegt und zum Verständnis von Prozessen beigetragen, die den betrachteten Eigenschaften wie der Pilzresistenz möglicherweise zu Grunde liegen. Ein großer Teil der gewonnenen Daten bringt auch die Untersuchungen anderer Kultivare voran und ist intervarietal übertragbar. Darüber hinaus haben sich Chancen für vergleichende Studien zwischen der Weinrebe einerseits und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana sowie weiteren Kulturpflanzen andererseits abgezeichnet. Die Hinweise auf die zentrale Rolle und universelle Natur des Redox-Signalling haben interessante Perspektiven zum Verständnis organismenübergreifender physiologischer Zusammenhänge eröffnet. Dies betrifft z.B. auch die Reaktion auf Verwundung oder die Pathogenantwort.

The Domon Family of Plant Plasma Membrane B-Type Cytochromes: Heterologous Expression, Biochemical Characterization and Physiological Roles in Vivo

The DOMON domain is a domain widespread in nature, predicted to fold in a β-sandwich structure. In plants, AIR12 is constituted by a single DOMON domain located in the apoplastic space and is GPI-modified for anchoring to the plasma membrane. Arabidopsis thaliana AIR12 has been heterologously expressed as a recombinant protein (recAtAIR12) in Pichia pastoris. Spectrophotometrical analysis of the purified protein showed that recAtAir12 is a cytochrome b. RecAtAIR12 is highly glycosylated, it is reduced by ascorbate, superoxide and naftoquinones, oxidised by monodehydroascorbate and oxygen and insensitive to hydrogen peroxide. The addition of recAtAIR12 to permeabilized plasma membranes containing NADH, FeEDTA and menadione, caused a statistically significant increase in hydroxyl radicals as detected by electron paramagnetic resonance. In these conditions, recAtAIR12 has thus a pro-oxidant role. Interestingly, AIR12 is related to the cytochrome domain of cellobiose dehydrogenase which is involved in lignin degradation, possibly via reactive oxygen species (ROS) production. In Arabidopsis the Air12 promoter is specifically activated at sites where cell separations occur and ROS, including •OH, are involved in cell wall modifications. air12 knock-out plants infected with Botrytis cinerea are more resistant than wild-type and air12 complemented plants. Also during B. cinerea infection, cell wall modifications and ROS are involved. Our results thus suggest that AIR12 could be involved in cell wall modifying reactions by interacting with ROS and ascorbate. CyDOMs are plasma membrane redox proteins of plants that are predicted to contain an apoplastic DOMON fused with a transmembrane cytochrome b561 domain. CyDOMs have never been purified nor characterised. The trans-membrane portion of a soybean CyDOM was expressed in E. coli but purification could not be achieved. The DOMON domain was expressed in P. pastoris and shown to be itself a cytochrome b that could be reduced by ascorbate.

Das wasserlösliche Chlorophyll-Protein (WSCP): biochemische Charakterisierung und Untersuchungen zur biologischen Funktion

Das WSCP (water-soluble chlorophyll protein) der Brassicaceen ist das einzig bekannte Chlorophyll-bindende Protein, welches keine Carotinoide bindet. Es ist ein wasserlösliches, ca. 80 kDa großes Homotetramer mit 1-4 gebundenen Chlorophyllen. Das Protein ist äußerst stabil und vermag die gebundenen Chlorophylle vor Photooxidation zu schützen. Seine Funktion in der Pflanze ist bis heute ein Rätsel und sollte in dieser Arbeit zusammen mit seinen biochemischen Eigenschaften weiter aufgeklärt werden. Es wurden Versuche durchgeführt mit nativem und rekombinantem WSCP aus Blumenkohl (BoWSCP bzw. BoWSCPhis) und aus Arabidopsis thaliana (AtWSCP bzw. AtWSCPhis). Die Expressionsausbeute von BoWSCPhis konnte verbessert werden und zusätzlich wurde die Rekonstitutionsmethode für das rekombinante WSCP optimiert, sodass das pigmentierte Protein mit hoher Ausbeute und großer Reinheit gewonnen werden konnte. Zudem wurde ein neuer WSCP-Klon hergestellt, mBoWSCPhis, der in seiner Sequenz dem maturen nativen BoWSCP entspricht und weitaus weniger Aggregationsprobleme zeigte als BoWSCPhis. Weiterführende Versuche zur Stabilität und dem Oligomerisierungsgrad von WSCP haben die neue Erkenntnis erbracht, dass die Phytolschwänze der von WSCP gebundenen Chlorophylle zwar essentiell sind für die Stabilität von WSCP-Oligomeren, nicht aber für die Oligomerisierung selbst, wie es in der Literatur bislang postuliert wurde. Zusätzlich zu ihrer außerordentlichen Hitzestabilität erwiesen sich die Chl-WSCP-Komplexe als stabil in einem breiten pH-Spektrum. AtWSCPhis besaß eine vergleichbare Stabilität, und auch das Oligomerisierungsverhalten zeigte Ähnlichkeiten zu BoWSCPhis. Im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin wurden zeitaufgelöste Absorptionsspektren sowie Tieftemperatur-Fluoreszenzspektren an Chl-WSCP-Komplexen gemessen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die WSCP-gebundenen Chlorophylle excitonisch gekoppelt sind und wiesen zudem auf unterschiedliche Chl-Bindungsmodi hin. Aufgrund seines einfachen Aufbaus und seines geringen Chlorophyllgehalts hat sich WSCP bei diesen Versuchen als sehr geeignetes Modellsystem erwiesen, um Messungen zur Chlorophyllbindung mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen zu vergleichen. Bei den Experimenten zur biologischen Funktion wurden einerseits Arabidopsis thaliana WSCP-„knock-out“-Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, andererseits wurden Experimente mit rekombinantem WSCP durchgeführt, um eine mögliche Interaktion mit anderen Proteinen zu detektieren. Die vegetativen Stadien der Mutante zeigten keinen Phänotyp; das native Arabidopsis-WSCP konnte später bei der Wildtyp-Pflanze ausschließlich in jungen Schoten lokalisiert werden, was eine Erklärung hierfür lieferte. Rekombinantes WSCP konnte Chlorophylle aus nativem LHCII entfernen, eine Interaktion mit Chlorophyllase konnte jedoch nicht nachgewiesen werden; daher konnte auch die Hypothese, WSCP sei ein Chl-Carrier beim Chl-Abbau, nicht untermauert werden. Bei den durchgeführten Enzym-Assays wurde eine geringfügige Inhibition der Cysteinprotease Papain beobachtet, aber keine Inhibition der Serinprotease Trypsin, obwohl Blumenkohl-WSCP N-proximal das Motiv der Künitz-Proteaseinhibitoren besitzt. Die Frage nach der biologischen Funktion von WSCP bleibt also weiterhin offen.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Genome-wide investigation reveals high evolutionary rates in annual model plants

Background: ;Rates of molecular evolution vary widely among species. While significant deviations from molecular clock have been found in many taxa, effects of life histories on molecular evolution are not fully understood. In plants, annual/perennial life history traits have long been suspected to influence the evolutionary rates at the molecular level. To date, however, the number of genes investigated on this subject is limited and the conclusions are mixed. To evaluate the possible heterogeneity in evolutionary rates between annual and perennial plants at the genomic level, we investigated 85 nuclear housekeeping genes, 10 non-housekeeping families, and 34 chloroplast;genes using the genomic data from model plants including Arabidopsis thaliana and Medicago truncatula for annuals and grape (Vitis vinifera) and popular (Populus trichocarpa) for perennials.;Results: ;According to the cross-comparisons among the four species, 74-82% of the nuclear genes and 71-97% of the chloroplast genes suggested higher rates of molecular evolution in the two annuals than those in the two perennials. The significant heterogeneity in evolutionary rate between annuals and perennials was consistently found both in nonsynonymous sites and synonymous sites. While a linear correlation of evolutionary rates in orthologous genes between species was observed in nonsynonymous sites, the correlation was weak or invisible in synonymous sites. This tendency was clearer in nuclear genes than in chloroplast genes, in which the overall;evolutionary rate was small. The slope of the regression line was consistently lower than unity, further confirming the higher evolutionary rate in annuals at the genomic level.;Conclusions: ;The higher evolutionary rate in annuals than in perennials appears to be a universal phenomenon both in nuclear and chloroplast genomes in the four dicot model plants we investigated. Therefore, such heterogeneity in evolutionary rate should result from factors that have genome-wide influence, most likely those associated with annual/perennial life history. Although we acknowledge current limitations of this kind of study, mainly due to a small sample size available and a distant taxonomic relationship of the model organisms, our results indicate that the genome-wide survey is a promising approach toward further understanding of the;mechanism determining the molecular evolutionary rate at the genomic level.

Leaf Asymmetry as a Developmental Constraint Imposed by Auxin-Dependent Phyllotactic Patterning

In a majority of species, leaf development is thought to proceed in a bilaterally symmetric fashion without systematic asymmetries. This is despite the left and right sides of an initiating primordium occupying niches that differ in their distance from sinks and sources of auxin. Here, we revisit an existing model of auxin transport sufficient to recreate spiral phyllotactic patterns and find previously overlooked asymmetries between auxin distribution and the centers of leaf primordia. We show that it is the direction of the phyllotactic spiral that determines the side of the leaf these asymmetries fall on. We empirically confirm the presence of an asymmetric auxin response using a DR5 reporter and observe morphological asymmetries in young leaf primordia. Notably, these morphological asymmetries persist in mature leaves, and we observe left-right asymmetries in the superficially bilaterally symmetric leaves of tomato (Solanum lycopersicum) and Arabidopsis thaliana that are consistent with modeled predictions. We further demonstrate that auxin application to a single side of a leaf primordium is sufficient to recapitulate the asymmetries we observe. Our results provide a framework to study a previously overlooked developmental axis and provide insights into the developmental constraints imposed upon leaf morphology by auxin-dependent phyllotactic patterning.

Functional analysis of rice bidirectional promoters

Bidirectional promoters regulate adjacent genes organized in a divergent fashion (head to head orientation). Several Reports pertaining to bidirectional promoters on a genomic scale exists in mammals. This work provides the essential background on theoretical and experimental work to carry out a genomic scale analysis of bidirectional promoters in plants. A computational study was performed to identify putative bidirectional promoters and the over-represented cis-regulatory motifs from three sequenced plant genomes: rice (Oryza sativa), Arabidopsis thaliana, and Populus trichocarpa using the Plant Cis-acting Regulatory DNA Elements (PLACE) and PLANT CARE databases. Over-represented motifs along with their possible function were described with the help of a few conserved representative putative bidirectional promoters from the three model plants. By doing so a foundation was laid for the experimental evaluation of bidirectional promoters in plants. A novel Agrobacterium tumefaciens mediated transient expression assay (AmTEA) was developed for young plants of different cereal species and the model dicot Arabidopsis thaliana. AmTEA was evaluated using five promoters (six constructs) and two reporter genes, gus and egfp. Efficacy and stability of AmTEA was compared with stable transgenics using the Arabidopsis DEAD-box RNA helicase family gene promoter. AmTEA was primarily developed to overcome the many problems associated with the development of transgenics and expression studies in plants. Finally a possible mechanism for the bidirectional activity of bidirectional promoters was highlighted. Deletion analysis using promoter-reporter gene constructs identified three rice promoters to be bidirectional. Regulatory elements located in the 5’- untranslated regions (UTR) of one of the genes of the divergent gene pair were found to be responsible for their bidirectional ctivity

Epigenetic variation creates potential for evolution of plant phenotypic plasticity

Heritable variation in plant phenotypes, and thus potential for evolutionary change, can in principle not only be caused by variation in DNA sequence, but also by underlying epigenetic variation. However, the potential scope of such phenotypic effects and their evolutionary significance are largely unexplored. Here, we conducted a glasshouse experiment in which we tested the response of a large number of epigenetic recombinant inbred lines (epiRILs) of Arabidopsis thaliana – lines that are nearly isogenic but highly variable at the level of DNA methylation – to drought and increased nutrient conditions. We found significant heritable variation among epiRILs both in the means of several ecologically important plant traits and in their plasticities to drought and nutrients. Significant selection gradients, that is, fitness correlations, of several mean traits and plasticities suggest that selection could act on this epigenetically based phenotypic variation. Our study provides evidence that variation in DNA methylation can cause substantial heritable variation of ecologically important plant traits, including root allocation, drought tolerance and nutrient plasticity, and that rapid evolution based on epigenetic variation alone should thus be possible.