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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-348344
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 16 November 2016 |
| Referee: | PD Dr Ulrich Hammes and Prof. Dr. Ralph Hückelhoven and Prof. Dr. Thomas Dresselhaus |
| Date of exam: | 27 September 2016 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Pflanzenwissenschaften > Lehrstuhl für Zellbiologie und Pflanzenphysiologie (Prof. Dr. Klaus Grasser) |
| Keywords: | Aminosäuretransport, Phloem, sink Gewebe, Nematoden, Ertrag, Transport, Same |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences 500 Science > 580 Botanical sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 34834 |
Abstract (English)
In the near future 10 billion people will live on our planet. To support the world’s population yield has to increase dramatically. This goal can only be achieved by an enhancement in productivity and minimization of yield loss by pathogens. Amino acids are of special interest for human nutrition, because essential amino acids cannot be synthesized de novo by animals. Roots and fruits often ...
Abstract (English)
In the near future 10 billion people will live on our planet. To support the world’s population yield has to increase dramatically. This goal can only be achieved by an enhancement in productivity and minimization of yield loss by pathogens. Amino acids are of special interest for human nutrition, because essential amino acids cannot be synthesized de novo by animals. Roots and fruits often represent the edible part of plants. These tissues depend on the supply from the green parts of the plant and therefore represent sink tissues. An example for an endogenous sink tissue is the developing seed including the embryo. Furthermore, also biotrophic pathogens force the plant to establish sink tissues. The supply of sink tissues is facilitated by a range of transporters.
In this work the plasma membrane-localized UmamiT amino acid facilitators were characterized in detail. They showed overlapping expression in the vascular tissue of roots, hypocotyl, leaves and stems, where they colocalized with phloem sieve elements. According to their position in the vascular parenchyma they are discussed to play a role in the amino acid cycling and in long distance transport. In the seed, UmamiTs displayed a spatio-temporally distinct expression pattern in symplasmically isolated tissues: the unloading zone, the outer and inner integument and the endosperm. From a physiological point of view, UmamiTs are located in strategically important domains for the transfer of amino acids within the sink tissue. It could be shown that a loss of function of UmamiTs resulted in elevated levels of free amino acids in seeds and a reduction of seed size. These findings indicate that the function of UmamiTs is directly linked with yield, which makes them interesting in the case of enhancement of productivity of crop plants in agriculture in the future.
In roots, UmamiTs were found to be differentially expressed in the xylem parenchyma and phloem. Also here, a colocalization with sieve elements was observed. Phenotypical analysis of mutants showed a reduction of root length in young seedlings and an altered organization of the root meristem, resulting in a unusual differentiation of columella stem cells or an additional layer of undifferentiated columella cells. Additionally, it was found that the cell cycle was also affected and the number of dividing cells in the root tip was significantly reduced. Higher order mutants of clade I UmamiTs investigated here showed a strong phenotype due to a complete loss of the root meristem. Double mutation of UmamiT14 and UmamiT29 led to a reduction of the mRNA of PLT1 in the stem cells. Overexpression of UmamiTs revealed a polar distribution of the fusion protein in anticlinal direction and an expression in stem cells and in differentiating protophloem, which suggests a role of UmamiTs in the directed long distance transport of amino acids along the vasculature and the supply of the root stem cells with amino acids.
During pathogen interaction with root knot nematodes, UmamiTs were specifically expressed in the feeding site, which is a tumor like sink tissue. Expression was detected in small parenchyma cells located close to the symplasmically isolated giant cells. UmamiT-positive cells were characterized as juvenile phloem: they were nucleated and APL-positive, colocalized with the sieve element specific epitope RS6 and showed a remarkable expression of SCR.
The findings presented in this thesis suggest that UmamiT-positive cells in the unloading zone of the seed and the feeding site of root knot nematodes function as unique cells with transfer function to supply symplasmically isolated sink tissues in plants.
Translation of the abstract (German)
Eine der großen Herausforderungen der nahen Zukunft wird die Ernährung der voraussichtlich 10 Milliarden Menschen darstellen. Dieses Ziel wird nur dann erreichbar werden, wenn eine immense Steigerung der Erträge von Nutzpflanzen, sowie eine Reduktion der Verluste durch Pathogene einhergehen. Hinsichtlich Ernährung sind Aminosäuren von besonderer Bedeutung, insbesondere wegen der so genannten ...
Translation of the abstract (German)
Eine der großen Herausforderungen der nahen Zukunft wird die Ernährung der voraussichtlich 10 Milliarden Menschen darstellen. Dieses Ziel wird nur dann erreichbar werden, wenn eine immense Steigerung der Erträge von Nutzpflanzen, sowie eine Reduktion der Verluste durch Pathogene einhergehen. Hinsichtlich Ernährung sind Aminosäuren von besonderer Bedeutung, insbesondere wegen der so genannten essentiellen Aminosäuren, die nur über die Nahrung zugeführt werden können. Pflanzliche Nahrungsmittel setzen sich zum Großteil aus Früchten und Speichergeweben zusammen. Diese werden auch als „sink“-Gewebe bezeichnet, da sie von der Versorgung mit Assimilaten aus den grünen Geweben, den so genannten „source“-Geweben, abhängen. In Pflanzen stellt der sich entwickelnde Embryo eine Sonderform des endogenen sink-Gewebes dar. Auch biotrophe Pathogene können sich von Pflanzen mittels der Induzierung eines sink-Gewebes ernähren. Die Versorgung von symplasmisch isoliertem sink-Gewebe mit Zuckern und Aminosäuren wird über eine Reihe von Transportern sicher gestellt.
In der vorliegenden Arbeit wurden Plasmamembran lokalisierte Transporter (UmamiTs) bezüglich der zellbiologischen Charakteristika detailliert untersucht. Hierbei wurde herausgefunden, dass diese Transporter im vegetativen Gewebe sehr spezifisch mit der Vaskulatur assoziiert sind und hierbei besonders im Gefäßparenchym anzutreffen sind. Des Weiteren zeigte sich ein hoher Grad an Kolokalisierung in Siebelementen, weswegen ihre Funktion im Langstreckentransport von Aminosäuren und dem Aminosäurecycling zwischen Phloem und Xylem diskutiert wurde. Im Same zeigten UmamiTs eine zeitlich und räumliche sehr fein regulierte Expression in verschiedenen symplasmisch isolierten Domänen wie der Entladungszone, dem äußeren und inneren Integument, sowie dem Endosperm. Physiologisch betrachtet sind UmamiTs strategisch genau an den Stellen gefunden worden, an denen ein Export von Aminosäuren aufgrund der symplasmischen Isolierung notwendig ist, um die Aminosäuren in tiefer liegende Zellschichten zu transportieren. Funktionsverlustmutanten charakterisierten sich über erhöhte Level von freien Aminosäuren in der Schote, sowie einer Reduktion der Samengröße. All diese Resultate unterstreichen deutlich, dass die Funktion der UmamiTs direkt mit dem Ertrag verknüpft ist, weswegen diese Gene im Zuge einer zukünftigen Ertragssteigerung von Nutzpflanzen von besonderem Interesse sind.
In Wurzeln zeigte sich ebenfalls eine starke Assoziierung der UmamiTs mit dem Leitgewebe. Phänotypische Untersuchungen von Mutanten offenbarten, dass diese im Sämlingsstadium kürzere Wurzeln aufwiesen, sowie eine veränderte Organisation des Wurzelmeristems. Dies hatte zur Folge, dass sich Columella Stammzellen ungewöhnlich weit differenzierten bzw. eine zusätzliche Zellschicht undifferenzierter Zellen ausbildeten. In der meristematischen Zone der
Wurzel wurde zusätzlich eine Reduzierung der Anzahl an sich teilender Zellen dokumentiert. Doppelmutanten von clade I UmamiTs zeigten einen starken Phänotyp, der sich in der Ausprägung von extrem Wachstumsgestörten Keimlingen äußerte, die nicht überlebensfähig waren. Mutationen von UmamiT14und UmamiT29führten zu einer Reduktion des RNA Levels von PLT1 in Stammzellen der Wurzel. Überexprimierer deckten eine polare Verteilung der Transporter in antikliner Orientierung der Zellen des differenzierenden Protophloem auf, sowie eine Expression in Stammzellen, wodurch sich ein starker Zusammenhang zwischen der Rolle von UmamiTs im Langstreckentransport von Aminosäuren und der Versorgung der Stammzellen mit diesen ergibt.
Während der Infektion mit Wurzelknotennematoden wurden UmamiTs induziert. Die Transporter lokalisierten sehr speziell am induzierten Ernährungsgewebe in juvenilen Phloemzellen, welche direkt den symplasmisch isolierten Riesenzellen anliegend waren. Die Charakterisierung dieser UmamiT-positiven juvenilen Phloemzellen erfolgte über den Nachweis von Kernen, der Kolokalisierung mit dem Siebelement Epitop RS6, sowie der besonderen Präsenz der Transkriptionsfaktoren APL und SCR, was die Sonderstellung dieser Phloemzellen sehr deutlich betont. Infektionsanalyen in Verlustmutanten zeigten weiterhin, dass ein knock-out von UmamiTs signifikant die Besiedlung mit Wurzelknotennematoden und im Falle einer Infektion die Größe des Wurzelknotens reduzierte.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen welche Sonderstellung UmamiT-positive Zellen in der Entladungszone des Same, sowie im Ernährungsgewebe von Wurzelknotennematoden haben und charakterisieren sie als funktionale Transferzellen, um symplasmisch isolierte Gewebe mit Aminosäuren zu versorgen.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 15:39
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