Shaping the Dicot Fruit: Molecular and Genomic Approaches to Fruit Development

The fruit is one of the most complex and important structures produced by flowering plants, and understanding the development and maturation process of fruits in different angiosperm species with diverse fruit structures is of immense interest. In the work presented here, molecular genetics and genomic analysis are used to explore the processes that form the fruit in two species: The model organism Arabidopsis and the diploid strawberry Fragaria vesca. One important basic question concerns the molecular genetic basis of fruit patterning. A long-standing model of Arabidopsis fruit (the gynoecium) patterning holds that auxin produced at the apex diffuses downward, forming a gradient that provides apical-basal positional information to specify different tissue types along the gynoecium’s length. The proposed gradient, however, has never been observed and the model appears inconsistent with a number of observations. I present a new, alternative model, wherein auxin acts to establish the adaxial-abaxial domains of the carpel primordia, which then ensures proper development of the final gynoecium. A second project utilizes genomics to identify genes that regulate fruit color by analyzing the genome sequences of Fragaria vesca, a species of wild strawberry. Shared and distinct SNPs among three F. vesca accessions were identified, providing a foundation for locating candidate mutations underlying phenotypic variations among different F. vesca accessions. Through systematic analysis of relevant SNP variants, a candidate SNP in FveMYB10 was identified that may underlie the fruit color in the yellow-fruited accessions, which was subsequently confirmed by functional assays. Our lab has previously generated extensive RNA-sequencing data that depict genome-scale gene expression profiles in F. vesca fruit and flower tissues at different developmental stages. To enhance the accessibility of this dataset, the web-based eFP software was adapted for this dataset, allowing visualization of gene expression in any tissues by user-initiated queries. Together, this thesis work proposes a well-supported new model of fruit patterning in Arabidopsis and provides further resources for F. vesca, including genome-wide variant lists and the ability to visualize gene expression. This work will facilitate future work linking traits of economic importance to specific genes and gaining novel insights into fruit patterning and development.

Designing Hydrogels that Transform their Shape in Response to Molecular Cues

There has been considerable interest in developing shape-changing soft materials for potential applications in drug delivery, microfluidics and biosensing. These shape- changing materials are inspired by the morphological changes exhibited by plants in nature, such as the Venus flytrap. One specific class of shape-change is that from a flat sheet to a folded structure (e.g., a tube). Such “self-folding” materials are usually composed of polymer hydrogels, and these typically fold in response to external stimuli such as pH and temperature. In order to develop these hydrogels for the previously described applications, it is necessary to expand the range of triggers. The focus of this dissertation is the advancement of shape-changing polymer hydrogels that are sensitive to uncommon cues such as specific biomolecules (enzymes), the substrates for such enzymes, or specific multivalent cations. First, we describe a hybrid gel that responds to the presence of low concentrations of a class of enzymes known as matrix metalloproteinases (MMPs). The hybrid gel was created by utilizing photolithographic techniques to combine two or more gels with distinct chemical composition into the same material. Certain portions of the hybrid gel are composed of a biopolymer derivative with crosslinkable groups. The hybrid gel is flat in water; however, in the presence of MMPs, the regions containing the biopolymer are degraded and the flat sheet folds to form a 3D structure. We demonstrate that hydrogels with different patterns can transform into different 3D structures such as tubes, helices and pancakes. Furthermore, this shape change can be made to occur at physiological concentrations of enzymes. Next, we report a gel with two layers that undergoes a shape change in the presence of glucose. The enzyme glucose oxidase (GOx) is immobilized in one of the layers. GOx catalyzes the conversion of glucose to gluconic acid. The production of gluconic acid decreases the local pH. The decrease in local pH causes one of the layers to swell. As a result, the flat sheet folds to form a tube. The tube unfolds to form a flat sheet when it is transferred to a solution with no glucose present. Therefore, this biomolecule- triggered shape transformation is reversible, meaning the glucose sensing gel is reusable. Furthermore, this shape change only occurs in the presence of glucose and it does not occur in the presence of other small sugars such as fructose. In our final study, we report the shape change of a gel with two layers in the presence of multivalent ions such as Ca2+ and Sr2+. The gel consists of a passive layer and an active layer. The passive layer is composed of dimethylyacrylamide (DMAA), which does not interact with multivalent ions. The active layer consists of DMAA and the biopolymer alginate. In the presence of Ca2+ ions, the alginate chains crosslink and the active layer shrinks. As a result, the gel converts from a flat sheet to a folded tube. What is particularly unusual is the direction of folding. In most cases, when flat rectangular gels fold, they do so about their short-side. However, our gels typically fold about their long-side. We hypothesize that non-homogeneous swelling determines the folding axis.

Demonstration of (In, Ga)N/GaN Core-Shell Micro Light-Emitting Diodes Grown by Molecular Beam Epitaxy on Ordered MOVPE GaN Pillars

This work reports on the growth of (In, Ga)N core−shell micro pillars by plasma-assisted molecular beam epitaxy using an ordered array of GaN cores grown by metal organic vapor phase epitaxy as a template. Upon (In, Ga)N growth, core−shell structures with emission at around 3.0 eV are formed. Further, the fabrication of a core−shell pin structure is demonstrated.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.

PARAMETRIC STUDY OF REAXFF SIMULATION PARAMETERS FOR MOLECULAR DYNAMICS MODELING OF REACTIVE CARBON GASES

Abstract The development of innovative carbon-based materials can be greatly facilitated by molecular modeling techniques. Although the Reax Force Field (ReaxFF) can be used to simulate the chemical behavior of carbon-based systems, the simulation settings required for accurate predictions have not been fully explored. Using the ReaxFF, molecular dynamics (MD) simulations are used to simulate the chemical behavior of pure carbon and hydrocarbon reactive gases that are involved in the formation of carbon structures such as graphite, buckyballs, amorphous carbon, and carbon nanotubes. It is determined that the maximum simulation time step that can be used in MD simulations with the ReaxFF is dependent on the simulated temperature and selected parameter set, as are the predicted reaction rates. It is also determined that different carbon-based reactive gases react at different rates, and that the predicted equilibrium structures are generally the same for the different ReaxFF parameter sets, except in the case of the predicted formation of large graphitic structures with the Chenoweth parameter set under specific conditions.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.