PERIANTHIA in the Network of Stem Cell Regulation of Arabidopsis thaliana

Abstract

In this thesis the function and interaction of key regulatory genes ensuring cell fate decisions and plant growth under different growth conditions are presented and the bZIP transcription factor PERANTHIA (PAN) is positioned in this network as an important transcriptional switch or regulator. The model plant Arabidopsis thaliana has been used to study molecular genetics and environmental impacts on plant growth. The regulation of plant growth is complex and dependent on production of sufficient cells at the right time with the right developmental program to perform the functions needed such as flowering or seed production. In growing plants these continuously active stem cell systems are located in specialized tissues, called meristems, located e.g. at the shoot apex and then called shoot apical meristem. In this stem cell niches, cells are proliferating, while around this zone cells are differentiating and developing into certain functional cell types, such as floral cells. Looking at known regulatory mutants for stem cell development in Arabidopsis thaliana it became evident that the number of stem cells, the size of the stem cell niche and the distance between new organ primordia differed depending on growth conditions and on the developmental stage in a plants lifecycle. This was studied by growing plants under different conditions and measuring the size of developmental domains or stem cells by RNA expression of genes like CLAVATA3 (CLV3) and WUSCHEL (WUS) followed by modelling the expression of these genes in silico (Geier et al. 2008b). PAN had been first been found to regulate floral organ number and initiation patterning (Running and Meyerowitz, 1996). Here a broader view is given on PAN acting at certain boundaries regulating or optimizing developmental programs such as when to form buds, to produce flowers at the right time (of the year) and produce seeds at the optimal time. First of all we analysed the role of PAN in floral development. In addition, I was able to show that PAN has important functions in other tissues and seems to serve as important modulator for stem cell activity. Our two main findings were that on the one hand that PAN acts under short day conditions activating the differentiation gene AGAMOUS (AG) in floral stem cells for functional, proper seed producing carpels (Maier et. al. 2009). This direct regulation of PAN by AG has been confirmed independently by the publication of Pradeep Das (Das et al. 2009). On the other hand PAN regulates under long day conditions the maintenance of the proliferation processes at the centre of a floral meristem but also at other meristems by interaction with different key players e.g. CLV3 and WUS (Maier et. al. 2011). Furthermore we showed that PAN function depends on and interacts with different pathways that sense environmental influences, such as light, which also differs in naturally occurring accessions of Arabidopsis. While a pan mutation in the ecotype Wasilewskia showed a more severe AG-loss of function phenotype under continuous light, in the natural variants Landsberg Erecta and Columbia this ag-like phenotype occurred under short day conditions. In an attempt to understand the genetic effects underlying the process we used microarray studies to find out about target genes of the transcription factor PAN and showed by using double mutants that PAN interacts with light regulatory pathway genes such as GIGANTEA (GI). A microarray dissection and a following GO analysis of the transcriptome of wild type Columbia and Columbia pan mutant plants grown under long day conditions, showed several pathways to be affected. By single gene expression analysis and mutant crosses we showed that PAN interacts with hormonal pathways (e.g. cytokinin, affecting ARR7 and ARR15 expression) and others had shown that PAN reacts itself to hormonal cues (e.g. cytokinin, Che et al. 2002). Interestingly, the three dimensional pattern or localization of PAN RNA expression at important developmental boundaries, where new primordial arise, seemed to play a major role in setting or regulating developmental effects in the wild type plants compared to pan mutants, indicating that the bZIP transcription factor PAN might act as an important modulator for plant stem cell fates.

Blütenpflanzen (Angiospermen) sind die häufigste auf der Erde vorkommende Pflanzengruppe. Ihre charakteristischen Merkmale sind Blüten. Pflanzen erhalten an der Sprosspitze nur eine begrenzte Anzahl von totipotenten Stammzellen, die in einer spezialisierten Stammzellnische, dem Sprossmeristem, eigebettet sind. Die kontinuierlich aktiven Stammzellen sind für Wachstum und Differenzierung aller Organe, also auch der Blüten nötig, welche aus seitlich abgegrenzten Blütenmeristemen gebildet werden. Blüten gliedern sich in spezifische Organe, die während der Entwicklung speziesspezifisch angeordnet werden und aus den Stammzellen des Blütenmeristems hervorgehen. Für die Erhaltung dieser Gruppen totipotenter Stammzellen sind Interaktionen zwischen dem Transkriptionsfaktor WUSCHEL und den CLAVATA Genen nötig. Die mechanistische Basis der Stammzell-Homöostase zwischen Erhaltung von Stammzellen und Zelldifferenzierung ist jedoch noch weitgehend ungeklärt. Da schon diverse Gene bekannt sind, die an der Spezifizierung des Blütenmeristems beteiligt sind, ist es notwendig zu verstehen, wie die Komponenten des zugrunde liegenden Regulationsnetzwerks miteinander interagieren (Lohmann and Weigel, 2002). Erhalt und Differenzierung von Stammzellen sind basale Mechanismen, die für die Entwicklung vielzelliger Organismen wie Pflanzen und Tiere nötig sind. Da Pflanzen ständig Gruppen von totipotenten Stammzellen in ihren beiden Wachstumszentren, dem Sprossmeristem und dem Wurzelmeristem erhalten, sind sie hervorragende Systeme, um Stammzellprozesse genauer zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde der Effekt von Wachstumsbedingungen und verschiedenen Entwicklungsstufen auf die Größe der Stammzellnische untersucht und modelliert (Geier et. al 2008) und für den Transkriptionsfaktor PERIANTHIA (PAN) gezeigt, dass er eine Schlüsselrolle in der Regulation von Stammzellentwicklungsprozessen hat, die im Sprossmeristem und in jungen Blüten der Modelpflanze Arabidopsis thaliana ablaufen. PAN wirkt wie ein Modulator zwischen Proliferation und Differenzierung. Auf der einen Seite trägt PAN unter Kurztag-Lichtbedingungen zur gewebespezifischen Aktivierung des Gens AGAMOUS (AG) bei, welches für die Differenzierung und damit das Ende der Stammzellproliferation in jungen Blüten zuständig ist (Maier et al. 2009). Auf der anderen Seite reguliert PAN in Wildtyppflanzen die Expression von wichtigen Proliferationsgenen bzw. Regulatoren der Stammzellnische unter anderem WUSCHEL, CLAVATA Genen und den so genannten ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATORS (Maier et al. 2011) . PAN konnte somit in das funktionale Netzwerk der Stammzellregulation von Arabidopsis positioniert werden und Interaktionen innerhalb dieses Netzwerks beschrieben werden. Da die Aktivität des PAN Proteins unter der Kontrolle eines komplexen Regulationsmechanismus sowie eines selbstregulierenden Rück-kopplungsmechanismus und zusätzlichen redox-sensitiven, posttranslationalen Modifikationen steht, wird es für die Pflanzenforschung und –züchtung wichtig sein, diese molekularen Mechanismen noch genauer zu untersuchen.