RT Dissertation/Thesis
T1 Transcriptomics and hormonal regulation of cluster root development in phosphate-deficient white lupin
A1 Wang,Zhengrui
WP 2015/01/19
AB Lupinus albus (Weisslupine) ist eine Kulturpflanzenart mit außergewöhnlich stark ausgeprägter Fähigkeit zur Aneignung schwerlöslicher Bodenphosphate (P), was in diesem Fall durch die Ausbildung flaschenbürstenartiger Clusterwurzeln erreicht wird, welche die intensive Abgabe P-mobilisierender Wurzelabscheidungen (Citrat, Phenole, Protonen und saure Phosphatasen) vermitteln. Sie wird daher seit langem als Modellpflanze für Untersuchungen zur pflanzlichen P-Aneignung durch wurzelinduzierte Veränderungen der Rhizosphärenchemie genutzt. Während der vergangenen beiden Jahrzehnte wurden so durch überwiegend hypothesenorientierte Forschungsansätze bereits umfangreiche Informationen zur Funktion und Physiologie von Clusterwurzeln erarbeitet. Darauf basierend, wird in der vorliegenden Untersuchung nun versucht, über Transkriptom-Sequenzierung einen noch umfassenderen Überblick über die metabolischen Veränderungen während der Clusterwurzelentwicklung zu gewinnen. Auf dieser Basis wurden weiterführende Forschungsfragen zur Regulation und Funktion von Clusterwurzeln formuliert und detailierter untersucht:
Kapitel I beschreibt die Transkriptomanalyse, die hier zum ersten Mal für einen systematischen Vergleich verschiedener Stadien der Clusterwurzelentwicklung eingesetzt wurde. Um Einblicke in die regulatorischen Faktoren zu erhalten, die an der Bildung von Clusterwurzeln beteiligt sind, wurde besonderes Augenmerk auf Gene mit Bezug zum Phytohormonstoffwechsel gelegt. Die Induktion von Clusterwurzelprimordien in den subapikalen Seitenwurzelzonen, spiegelte sich in einer intensiven Expression von Genen wider, die am Transport und der Synthese von Auxinen, Brassinosteroiden (BR) und Cytokininrezeptoren beteiligt sind. Die weitere Entwicklung und „Reifung“ der Clusterwurzeln, die durch Meristemdegeneration und dichte Wurzelhaarbildung gekennzeichnet ist, war dagegen mit einer stark erhöhten Expression von Genen der Ethylenbiosynthese und
einer verminderten Expression der Auxin- und BR-Gene verbunden. Auch Transkripte des Abscisin-, und Jasmonsäurestoffwechsels, sowie des Cytokininabbaus waren verstärkt exprimiert. Der Primärstoffwechsel mit besonders intensiver Exprimierung in jungen (JU) Clusterwurzeln zeigte während der weiteren Clusterwurzelentwicklung signifikante Modifikationen verbunden mit einer verstärkten Expression Pi-unabhängiger Ausweichreaktionen, die zur Biosynthese von organischen Säuren beitragen können. Dagegen war die Expression des Citratkatabolismus vermindert, was offensichtlich zur intrazellulären Akkumulation von Citrat beitrug. Die verstärkte Expression des Phenylpropanoidstoffwechsels ging mit einer erhöhten Akkumulation phenolischer Substanzen einher. Das vertärkte Auftreten von Transkripten für ALMT und MATE Transporter könnte die Abgabe von P-mobilisierenden Wurzelexudaten, wie Citrat und Flavonoiden widerspiegeln, während die verstärkte Expression von Transkripten für Pi-Transporter für die anschließende Aufnahme mobilisierter Phosphatanionen verantwortlich zu sein scheint. Verstärkte Expression des Nucleotidkatabolismus und sekretorischer, saurer Phosphatasen könnte im Zusammenhang mit internem Pi-Recycling und der Hydrolyse organischer Phosphatverbindungen im Boden stehen. Eine erhöhte Exprimierung des FIT Transkriptionsfaktors während der Clusterwurzelreifung, der normalerweise die koordinierte Induktion von Eisenmangelanpassungen vermittelt (Stimulierung des Wurzelhaarwachstums, Protonenabgabe, Esxudation phenolischer Sunstanzen, erhöhte Fe(III)-Reduktion), wirft die Frage auf, ob FIT möglicherweise ähnliche Funktionen bei der Regulation von P-Mangelanpassungen hat ?
Kapitel II widmet sich der Frage, ob Saccharose möglicherweise als sprossbürtiges Signal an der Bildung von Clusterwurzeln beteiligt ist. Bei gut mit P versorgten Pflanzen führte die externe Applikation von Saccharose im Konzentrationsbereich wie er in den subapikalen Wurzelzonen von P-Mangelpflanzen gemessen wurde, zu einer vergleichbaren Induktion von Clusterwurzeln wie P Mangel. Sowohl Palatinose (25 mM) als auch die kombinierte Gabe von Glucose und Fruktose (je 12.5 mM) waren dagegen nicht in der Lage, Clusterwurzelbildung zu induzieren, was eine spezifische Signalfunktion von Saccharose belegt und osmotische Effekte oder eine reine C-Quellenwirkung ausschließt. Allerdings waren im Unterschied zu P-Mangelpflanzen, die durch Saccharosegaben induzierten Clusterwurzeln inaktiv im Hinblick auf Induktion der PEP-Carboxylaseaktivität, Angabe von Citrat und saurer Phosphatase und der Expression damit verbundener Gene (LaMATE, LaSAP und LaPEPC). 
In Kapitel III wurden Interaktionen zwischen den an der Clusterwurzelentwicklung beteiligten Phytohormonen, in einem integrierten Ansatz aus RT-qPCR-Analyse, Hormontransportuntersuchungen, sowie der externen Applikation von Hormonen und Hormonantagonisten, genauer untersucht. Die Sproß/Wurzelverlagerung von Auxinen wurde durch den P-Ernährungsstatus nicht beeinflusst, was die Hypothese unterstützt, wonach eher Saccharose und nicht Auxin als primäres sprossbürtiges Signal bei der Induktion von Clusterwurzelprimordien wirkt. Ethylen scheint an der weiteren Signaltransduktion im Wurzelgewebe beteiligt zu sein, was durch eine ausgeprägte Hemmung der Saccharose-, oder P-Mangel-induzierten Clusterwurzelbildung durch den Ethylenantagonisten CoCl2 unterstrichen wird. Wie auch von anderen Pflanzenarten berichtet, kann eine moderat erhöhte Produktion von Ethylen und Brassinosteroiden die Biosynthese und den Transport wurzelbürtiger Auxine induzieren, was sich in einer erhöhten Expression der entsprechenden Gene (YUCCA, PIN1, AUX1, BR, ACC oxidase) in den subapikalen Seitenwurzelzonen widerspiegelt. Eine Beteiligung von Brassinosteroiden bei der Clusterwurzelbildung wird durch inhibitorische Effekte des Brassinosteroidantagonisten Brassinazol untertrichen. Die gut beschriebene Hemmwirkung hoher Ethylenkonzentrationen auf das Wurzelwachstum steht möglicherweise auch im Zusammenhang mit der synchronen Wachstumshemmung der kurzen Seitenwurzeln im Clusterbereich, was durch die massive Erhöhung der Expression von Genen der Ethylenbiosynthese und einer zeitgleichen Expressionshemmung Wurzelwachstums-fördernder Gene der Auxin-, und Brassinosteroid synthese unterstrichen wird.
K1 Phosphat
K1 Weisslupine
K1 Transkriptomanalyse
K1 Phytohormon
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
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