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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-547454
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.54745
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 19 January 2024 |
| Referee: | Prof. Dr. Thomas Dresselhaus |
| Date of exam: | 20 September 2023 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Pflanzenwissenschaften Biology, Preclinical Medicine > Institut für Pflanzenwissenschaften > Lehrstuhl für Zellbiologie und Pflanzenphysiologie (Prof. Dr. Klaus Grasser) |
| Keywords: | Maize, Pollen, Heat stress |
| 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: | 54745 |
Abstract (English)
Male gametophyte development in flowering plants undergoes a complex process that is transcriptionally regulated and that it is highly sensitive to abiotic and biotic stresses. Particularly, developmental phase transitions of plant reproduction play a crucial role in normal gametophyte generation and successful double fertilization. In maize, the diploid pollen mother cell (2N) releases haploid ...
Abstract (English)
Male gametophyte development in flowering plants undergoes a complex process that is transcriptionally regulated and that it is highly sensitive to abiotic and biotic stresses. Particularly, developmental phase transitions of plant reproduction play a crucial role in normal gametophyte generation and successful double fertilization. In maize, the diploid pollen mother cell (2N) releases haploid microspores (1N) after meiosis. Following two rounds of mitosis, pollen development phases are defined based on the developmental state of nuclei, which include the unicellular, bicellular, and tricellular stages. When a moderate (35°C/25°C day/night) heat stress treatment was imposed on maize plants at the unicellular and bicellular stages, pollen showed stage-specific heat stress responses (HSR). During unicellular development, pollen viability and fertilization ability were severely affected, resulting in reduced seed set. However, at the bicellular stage, heat stress did not have strong effects on pollen abilities, but still caused seed abortion. Furthermore, sperm cells were found strongly altered both in morphology and biological functions. Through transcriptome and proteome profile analyses, the metaphase of mitosis during PMII was found partially arrested, resulting in the generation of nonfunctional sperm cells. Meanwhile, sperm cells could not travel into the pollen tube for fertilization, probably due to heat stress impairing pollen tube cytoskeleton structure.
Two LIM transcription factors genes, ZmLIM6 and ZmLIM14, are highly expressed during the bicellular and tricellular pollen stages. CRISPR/Cas9 knock-out mutants of ZmLIM6/14 produced one sperm-like nucleus or sperm cells were not observed inside the mature pollen. In addition, pollen tubes grew in a twisted pattern. Inside the pollen grain, LIM6/14 colocalized with α-tubulin. Therefore, in LIM-mutated pollen, α-tubulin failed to form a normal envelope. However, tubulin disorder and nuclei loss were independent by investigating the LIM-mutated sperm cell marker line, YFP-tubulin+/lim14. Moreover, ZmLIM6/14 proteins functioned during nucleolus formation in germ cells, which was likely explained by the lim6/14 phenotypes. Further, ZmRALF3 was identified as the potential target of ZmLIM14 and thus regulating pollen tube integrity. Altogether, all findings reveal multiple functions of ZmLIMs in proper microtubule bundling and nucleoli formation during the bi- to tricellular transition stage in maize pollen.
In general, above findings indicate that heat stress affects sperm cell formation during the PMII transition in pollen development. Moreover, it is revealed that the novel functions of ZmLIMs in microtubule dynamics and sperm cell formation during the PMII transition. In conclusion, this thesis provides more evidences for male gametophyte phase-specific regulation patterns and more insights into the late stages of maize pollen development.
Translation of the abstract (German)
Die Entwicklung der männlichen Gametophyten in blühenden Pflanzen ist ein komplexer Prozess, der durch die Transkription reguliert wird und der sehr empfindlich auf abiotische und biotische Stressfaktoren reagiert. Insbesondere die Übergänge zwischen den Entwicklungsphasen der pflanzlichen Fortpflanzung spielen eine entscheidende Rolle für die normale Gametophytenbildung und die erfolgreiche ...
Translation of the abstract (German)
Die Entwicklung der männlichen Gametophyten in blühenden Pflanzen ist ein komplexer Prozess, der durch die Transkription reguliert wird und der sehr empfindlich auf abiotische und biotische Stressfaktoren reagiert. Insbesondere die Übergänge zwischen den Entwicklungsphasen der pflanzlichen Fortpflanzung spielen eine entscheidende Rolle für die normale Gametophytenbildung und die erfolgreiche doppelte Befruchtung. Aus der diploiden Pollenmutterzelle (2N) entstehen bei Mais nach der Meiose vier haploide Mikrosporen (1N). Nach zwei Mitoserunden werden die Pollenentwicklungsphasen anhand des Entwicklungszustands der Kerne definiert, zu denen das einzellige, zweizellige und dreizellige Stadium gehören. Wurden Maispflanzen im unizellulären und bizellulären Stadium einer moderaten Hitzestressbehandlung (35°C/25°C Tag/Nacht) ausgesetzt, zeigten die Pollen Stadien-spezifische Hitzestressreaktionen (HSR). Während der Behandlung im einzelligen Stadium der Entwicklung waren die Lebensfähigkeit und die Befruchtungsfähigkeit der Pollen stark beeinträchtigt, was zu einem reduzierten Samenansatz führte. Im zweizelligen Stadium hatte der Hitzestress jedoch keine starken Auswirkungen auf die Polleneigenschaften, führte aber dennoch zu fehlendem Samenansatz. Außerdem wurde festgestellt, dass die Spermazellen sowohl in ihrer Morphologie als auch in ihren biologischen Funktionen stark verändert waren. Durch Transkriptom- und Proteom-Analysen wurde festgestellt, dass die Metaphase der Mitose während des PMII-Stadiums teilweise gestoppt wurde, was zur Bildung von nicht funktionsfähigen Samenzellen führte. Darüber hinaus wurden die Spermazellen nicht zur Befruchtung in den Pollenschlauch transportiert, was wahrscheinlich auf den Hitzestress zurückzuführen ist, der die Zytoskelettstruktur des Pollenschlauchs beeinträchtigt.
Zwei LIM-Transkriptionsfaktorgene, ZmLIM6 und ZmLIM14, werden während der bizellulären und trizellulären Pollenstadien stark exprimiert. CRISPR/Cas9-Knock-out-Mutanten von ZmLIM6/14 produzierten einen Spermazell-ähnlichen Kern oder es wurden keine Spermazellen im reifen Pollen beobachtet. Darüber hinaus wuchsen die Pollenschläuche in einem verdrehten Muster. Im Inneren des Pollenkorns waren ZmLIM6/14 mit α-Tubulin kolokalisiert. Daher konnte α-Tubulin in LIM-mutierten Pollen keine normale Hülle bilden. Bei der Untersuchung der LIM-mutierten Spermazellmarkerlinie YFP-Tubulin+/lim14 waren die Störungen in der Tubulinstruktur oder -lokalisierung und der Kernverlust jedoch unabhängig. Darüber hinaus funktionierten die ZmLIM6/14-Proteine während der Nukleolusbildung in Keimzellen, was wahrscheinlich die lim6/14-Phänotypen erklärt. In weitergehenden Analysen wurde ZmRALF3 als potenzielles Zielgen von ZmLIM14 identifiziert, das die Integrität der Pollenschläuche reguliert. Insgesamt zeigen alle Ergebnisse, dass ZmLIMs mehrere Funktionen bei der ordnungsgemäßen Mikrotubuli-Bündelung und Nukleolenbildung während des bi- bis trizellulären Übergangsstadiums in Maispollen haben.
Generell deuten die obigen Ergebnisse darauf hin, dass Hitzestress die Bildung von Spermazellen während des PMII-Übergangs in der Pollenentwicklung beeinflusst. Darüber hinaus zeigten sich neue Funktionen von ZmLIMs in der Mikrotubuli-Dynamik und der Spermazellbildung während des PMII-Übergangs. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit weitere Beweise für phasenspezifische Regulierungsmuster des männlichen Gametophyten und weitere Einblicke in die späten Stadien der Pollenentwicklung von Mais liefert.
Metadata last modified: 29 Jan 2024 13:58
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