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Doctoral Thesis
2014
Transcriptomics and hormonal regulation of cluster root development in phosphate-deficient white lupin
Transcriptomics and hormonal regulation of cluster root development in phosphate-deficient white lupin
Abstract (English)
Among crops, white lupin (Lupinus albus) represents the extraordinary ability to acquire sparingly soluble soil phosphate (Pi) by formation of cluster roots (CRs), mediating intense exudation of phosphorus (P)-mobilising root exudates (citrate, phenolics, protons and acid phosphatase). It is widely used as a model plant for investigations of P acquisition by root-induced chemical modifications of the rhizosphere. During the last two decades, a large pool of information on CR function and physiology was obtained mainly by hypothesis-driven research. Based on these findings, this study was designed to get a more comprehensive picture of the metabolic changes during CR development using a transcriptome sequencing approach. The outcome of the transcriptome analysis was the basis for the formulation of research questions on the regulation of CR formation and function to be investigated more in detail:
Chapter I, focuses on transcriptome sequencing used for the first time for a systematic comparison of different stages in CR development. To get insights into the regulatory factors involved in CR formation, special emphasis was placed on hormone-related genes. Initiation of CR primordia in the pre-emergent (PE) zone was reflected by strongest expression of genes involved in transport and biosynthesis of auxins, brassinosteroids (BRs) and cytokinin receptors. Cluster root maturation, involving meristem degeneration and root hair proliferation was associated with strongly increased expression of ethylene-related transcripts and decreased expression of auxin- and BR-related genes. Also transcripts related with abscisic and jasmonic acids and cytokinin degradation were up-regulated in mature (MA) clusters. The primary metabolism, highly expressed in juvenile (JU) clusters, underwent significant modifications during CR maturation with increased contribution of Pi-independent bypass reactions, promoting biosynthesis of organic acids. Citrate catabolism and respiration were down-regulated, triggering citrate accumulation in MA clusters. Up-regulation of phenylpropanoid pathways reflected accumulation of phenolics. Increased expression of transcripts encoding ALMT and MATE transporters may be involved in the exudation of flavonoids and citrate, while up-regulation of transcripts encoding Pi transporters mediates subsequent uptake of mobilised Pi. Predominant expression of nucleotide degradation and secretory acid phosphatase in MA clusters coincides with Pi re-translocation and mobilisation of organic soil P. Up-regulation of the FIT transcription factor, usually mediating the expression of Fe deficiency responses (root hair proliferation, proton extrusion, Fe(III)-reduction, exudation of phenolics) can be observed also in MA clusters of P-deficient Lupinus albus even under Fe-sufficient conditions. This raises the question, whether FIT has a similar function in the regulation of P deficiency responses.
Chapter II, addresses the question whether sucrose acts as a shoot-borne signal for CR formation. External sucrose amendments to P-sufficient plants, at concentrations similar to those in PE root zones of P-deficient plants, induced CR formation comparable to P-deficient plants. Palatinose (25 mM), and combined application of glucose/fructose (both at 12.5 mM) failed to induce CR formation under P-sufficient conditions, demonstrating a specific signal function of sucrose and excluding osmotic and carbon source effects. However, CRs induced by sucrose were not functional with respect to citrate exudation, acid phosphatase and phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) activities and expression of related genes (LaMATE, LaSAP and LaPEPC) quantified by RT-qPCR.
In Chapter III, the interactions of different phytohormones and sucrose on CR formation were investigated more in detail by an integrated approach of RT-qPCR, hormone translocation analyses and exogenous application of hormones or hormone antagonists. Shoot-to-root translocation of auxin was unaffected by P limitation, supporting the hypothesis that sucrose, rather than auxins, acts as major shoot-borne signal, triggering the induction of CR primordia. Ethylene may act as mediator of the sucrose signal, as indicated by strong inhibitory effects of the ethylene antagonist CoCl2 on CR formation induced by sucrose or P limitation. As reported in other plant species, moderately increased production of ethylene and brassinosteroids (BRs) may induce biosynthesis and transport of root-borne auxins, indicated by increased expression of respective genes (YUCCA, PIN1, AUX1, BR, ACC_oxidase) in pre-emergent clusters. A role of BR in CR formation is further underlined by inhibitory effects of BR antagonists. The well-documented inhibition of root elongation by high doses of ethylene may be involved in the inhibition of lateral rootlets growth during CR maturation, indicated by a massive increase of gene expression involved in ethylene production, associated with decline of transcripts with stimulatory effects (BR- and auxin-related genes). Based on these findings, models for the regulatory networks involved in CR formation (Chapter III) and function (Chapter I) have been developed.
Abstract (German)
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.
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Notes
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2014-07-27
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
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url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5863},
author = {Wang, Zhengrui},
title = {Transcriptomics and hormonal regulation of cluster root development in phosphate-deficient white lupin},
year = {2014},
school = {Universität Hohenheim},
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