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Regulation der LBD33-Gene Arabidopsis. Wenn das LBD 33-Gen durch Auxin hochreguliert wird, warum nimmt dann die Expression ab, wenn die Auxinkonzentration erhöht wird?

Regulation der LBD33-Gene Arabidopsis. Wenn das LBD 33-Gen durch Auxin hochreguliert wird, warum nimmt dann die Expression ab, wenn die Auxinkonzentration erhöht wird?


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Ich habe eine Frage zur Regulation von Genen der lateralen Grenzdomäne in Arabidopsis (insbesondere LBD33). Ich bin ein Student im Grundstudium, der versucht, die Ergebnisse eines Labors zu verstehen, in dem ich die Regulation der Genaktivität mit Hilfe der GUS-Färbetechnik messe. Ich habe ein Foto von Bildern beigefügt, die von Arabidopsis unter verschiedenen Behandlungen aufgenommen wurden:

A) Wildtyp kein Auxin, der Wildtyp hat kein inseriertes GUS-Gen, also keine Transkription von Genen, die für GUS kodieren. Dies war unsere Negativkontrolle.

B) Positivkontrolle CyclinB1, wobei der Promotor stromaufwärts der kodierenden Sequenz für GUS fusioniert wurde. GUS-Färbung immer vorhanden.

C) LBD 16-Mutante kein Auxin-GUS-Promotor ist stromabwärts fusioniert, ohne Auxin-Gene wird GUS nicht transkribiert.

D) LBD-16-Mutante, die 1 µm IBA ausgesetzt wurde, GUS-Färbung an seitlichen Wurzeln.

E) LBD 16-Mutante, die 10 µm IBA ausgesetzt wurde, noch mehr GUS-Färbung auf Seitenwurzeln im Vergleich zu D) Behandlung.

… Soweit ich das verstanden habe, habe ich im Folgenden Probleme mit der Interpretation meiner Ergebnisse.

F) LBD 33-Mutante, kein Auxin. Färbung in Blättern und Wurzeln (die gesamte Literatur, die ich gefunden habe, sagt, dass LBD-Gene nur in seitlichen Wurzeln aktiv sind, aber die Färbung ist in Blättern vorhanden)

In den Bildern G) LBD 33-Mutante, die gegenüber 1 µm IBA exponiert wurde, und H) LBD 33-Mutante, die gegenüber 10 µm IBA exponiert wurde, scheint die Expression der LBD 33-Gene durch die Zugabe von mehr Auxin abzunehmen, aber wenn ich Zeitschriftenartikel lese, sagen sie alle, dass Auxin erhöht wird. reguliert die Transkription des LBD33-Gens. Ich dachte, wenn diese Gene durch Auxin induziert werden, sollte die Expression nicht zunehmen, wenn mehr Auxin hinzugefügt wird?


Grenzen in der Pflanzenwissenschaft

Die Zugehörigkeiten der Herausgeber und Gutachter sind die neuesten Angaben in ihren Loop-Forschungsprofilen und spiegeln möglicherweise nicht ihre Situation zum Zeitpunkt der Überprüfung wider.



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Originaler Forschungsartikel

  • 1 Institut für Gemüse, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou, China
  • 2 Zentrum für Analyse und Messung, Zhejiang University, Hangzhou, China

Das Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Entwicklungsprozess von Erbsensamen regulieren, ist für die Erbsenzüchtung äußerst wichtig. In dieser Studie verwendeten wir Hochdurchsatz-RNA-Seq- und Bioinformatik-Analysen, um die Veränderungen der Genexpression während der Samenentwicklung in Gemüseerbse und Körnererbse zu untersuchen und die Genexpressionsprofile dieser beiden Erbsenarten zu vergleichen. RNA-Seq generierte 18,7 G Rohdaten, die dann de novo zu 77.273 Unigenen mit einer mittleren Länge von 930 bp zusammengesetzt. Unsere Ergebnisse veranschaulichen, dass die transkriptionelle Kontrolle während der Entwicklung von Erbsensamen ein hoch koordinierter Prozess ist. Es gab 459 und 801 Gene, die in den frühen und späten Reifungsstadien der Samen zwischen Gemüseerbse bzw. Körnererbse unterschiedlich exprimiert wurden. Lösliche Zucker- und Stärkemetabolismus-bezogene Gene wurden während der Entwicklung von Erbsensamen signifikant aktiviert, zeitgleich mit dem Einsetzen der Akkumulation von Zucker und Stärke in den Samen. Eine vergleichende Analyse von Genen, die an der Zucker- und Stärkebiosynthese in Pflanzenerbse (hoher löslicher Zucker im Samen und wenig Stärke) und Körnererbse (hoher Samenstärke und wenig löslicher Zucker) beteiligt sind, zeigte, dass die unterschiedliche Expression verwandter Gene in späten Entwicklungsstadien zu einer negativen Korrelation zwischen dem biosynthetischen Fluss von löslichem Zucker und Stärke in Gemüse- und Körnererbsensamen. Die RNA-Seq-Daten wurden mithilfe einer quantitativen Echtzeit-RT-PCR-Analyse für 30 zufällig ausgewählte Gene validiert. Unseres Wissens stellt diese Arbeit den ersten Bericht über die Transkriptomik der Samenentwicklung bei Erbsen dar. Die erhaltenen Ergebnisse bilden eine Grundlage, um zukünftige Bemühungen zu unterstützen, die zugrunde liegenden Mechanismen zu entschlüsseln, die die Entwicklungsbiologie von Erbsensamen kontrollieren, und dienen als wertvolle Ressource zur Verbesserung der Erbsenzüchtung.


Ergebnisse

LBD16 und LBD18 haben Transkriptionsaktivität sowohl in Hefe- als auch in Arabidopsis-Protoplasten

Um die molekulare Funktion von LBD18 in Verbindung mit LBD16 bei der Lateralwurzelbildung zu verstehen, wurde die transkriptionelle Aktivität von LBD18 zunächst mit transienten Expressionsassays mit Protoplasten aus Arabidopsis-Mesophyllzellen untersucht. Wir verwendeten ein Reporterplasmid mit drei Kopien des Gal4-DNA-Bindungselements, fusioniert an a LUZIFERAS (LUC) Reportergen und ein Effektorplasmid, das für LBD18 voller Länge kodiert, fusioniert an die Gal4-DNA-Bindungsdomäne (Gal4BD). LBD18 verlieh höhere Konzentrationen von LUC Expression im Vergleich zu denen in der Gal4BD-Kontrolle (Abbildung 1). Ähnliche Ergebnisse wurden mit LBD16 erhalten. Die Transkriptionsaktivität von LBD18 war in Arabidopsis-Wurzelprotoplasten höher als in Mesophyll-Protoplasten, was die Bedeutung der LBD18-Funktion in Wurzeln bestätigte.

Deletionsanalysen von LBD16 und LBD18 in Hefe- und Arabidopsis-Protoplasten zeigten eine minimale transkriptionsaktivierende Domäne (Abbildungen S1 und 2). Die transkriptionsaktivierende Domäne von LBD16 war reich an Glutamin, und die von LBD18 war reich an Glutamin und Prolin (Abbildung S2), die für die Transaktivierungsdomänen vieler Transkriptionsfaktoren charakteristisch sind (Triezenberg, 1995 Liu et al., 1999). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Regionen, die die Aminosäuren 121–193 von LBD16 und 143–216 von LBD18 umfassen, eine transkriptionsaktivierende Funktion haben.

LBD18 fungiert als Transkriptionsaktivator, der die Expression von . reguliert EXP14

Um die Transkriptionsantwort stromabwärts von LBD18 zu untersuchen, verwendeten wir die Dexamethason (DEX)-induzierte nukleäre Lokalisation von LBD18, die mit der Glucocorticoid-Steroidhormon-Bindungsdomäne (GR) fusioniert ist (Profi35S:LBD18:GR Lee et al., 2009b ) mit dem Arabidopsis-Vollgenom-Array. Ein 2,5-stündiger Zeitpunkt nach der DEX-Behandlung wurde ausgewählt, um die frühe transkriptionelle Reaktion zu untersuchen. Unter zahlreichen Genen, deren Expression durch LBD18 moduliert wurde (Tabellen S1–S3), wurden einige repräsentative Gene ausgewählt, die eine robuste, mehr als sechsfache Expression durch DEX aufweisen (Tabelle S4), darunter GDSL-MOTIF (At4g30140), EXP14 (At5g56320) und FAD-BD (At1g30760), um die Genexpression weiter zu charakterisieren. Da diese Gene stromabwärts von reguliert werden LBD18, sollten sie zu einem späteren Zeitpunkt auxininduzierbar sein als die Induktion von LBD18. Wie vorhergesagt, zeigten alle drei Gene eine verzögerte Expressionskinetik nach der Auxin-Behandlung in Bezug auf LBD18 (Abbildungen 3a und S3). DEX-Behandlung von Profi35S:LBD18:GR Sämlinge induzierten die Expression dieser Gene, während eine Scheinbehandlung von Profi35S:LBD18:GR Sämlinge taten dies nicht (Abbildung 3b). LBD41, zuvor als hochreguliert durch . gezeigt LBD30 (Borghi et al., 2007), wurde 4 h nach der DEX-Behandlung induziert. Um das weiter zu zeigen LBD18 kann die Expression endogener Zielgene hochregulieren, transgene Arabidopsis-Pflanzen exprimieren LBD18:GR unter eigenem Veranstalter (ProfiLBD18:LBD18:GR). Die DEX-Behandlung verursachte einen statistisch signifikanten Anstieg der endogenen Zielgen-Transkripte in zwei verschiedenen transgenen Linien, was einen signifikanten LBD18:GR Expression von neun erzeugten Linien, verglichen mit denen in scheinbehandelten Linien, was zeigt, dass LBD18 reguliert die Expression von Zielgenen in Geweben, in denen LBD18 wird normalerweise geäußert. Die Behandlung mit dem Proteinsynthesehemmer Cycloheximid verhinderte die DEX-induzierte Expression von GDSL-MOTIF, FAD-BD und LBD41 nach 2 und 8 h (Abbildung 3d), was darauf hindeutet, dass diese Zielgene sekundäre Reaktionsgene sind, die eine neue Proteinsynthese erfordern. Jedoch, EXP14 Die Induktion durch DEX-Behandlung wurde durch die Cycloheximid-Behandlung nach 2 und 8 h nicht beeinflusst, was zeigt, dass EXP14 ist ein primäres Antwortgen, das direkt von LBD18 reguliert werden könnte.

Um die Hochregulation der Zielgene zu bestätigen, einschließlich EXP14, von LBD18, wurden Protoplasten-Cotransfektionsassays mit einem Reporterplasmid durchgeführt, das die EXP14 Promoter fusioniert mit LUC (ProfiEXP14:LUC) und ein Effektorplasmid mit LBD18 unter der Kontrolle der CaMV . ausgedrückt 35S Promotor, mit einem Translations-Enhancer Ω (Profi35S:Ω:LBD18). LBD18 Expression führte zu einer fünffachen Steigerung von LUC Ausdruck von ProfiEXP14:LUC, während die Koexpression von LBD18 mit den Negativkontrollen, LUC und Profi35Smini:LUC, hat nicht zugenommen LUC Ausdruck (Abbildung 4a). LUC Expression wurde durch die Co-Expression von . verdoppelt ProfiFAD-BD:LUC und LBD18. Diese Ergebnisse zeigten, dass LBD18 die Expression von . hochreguliert EXP14 und FAD-BD durch seinen eigenen Promotor, und dass die LBD18:GR-induzierte Expression von Zielgenen nicht das Ergebnis einer translationalen LBD18-Fusion mit GR ist.

LBD16 reguliert nicht die Expression von EXP14

Als nächstes haben wir getestet, ob LBD16 könnte auch die Expression von LBD18-Zielgenen in regulieren Profi35S:LBD16:GR Pflanzen (Lee et al., 2009b). LBD16 wurde innerhalb von 1 Stunde nach der Auxin-Behandlung exprimiert, im Einklang mit einem früheren Bericht (Lee et al., 2009b ) und früher als der Ausdruck von GDSL-MOTIF und FAD-BD als Reaktion auf Auxin (Abbildung S4a). Die Expression dieser beiden Gene wurde durch DEX-Behandlung induziert (Abbildungen S4b und S5). Im Gegensatz zu LBD18, EXP14 Ausdruck wurde nicht reguliert durch LBD16 (Abbildung S4b). GDSL-MOTIF ist ein sekundäres Reaktionsgen, das von LBD16 reguliert wird, da GDSL-MOTIF die Expression von LBD16 wurde durch Cycloheximid-Behandlungen verhindert (Abbildung S4c). DEX-induzierbarer Ausdruck von FAD-BD durch LBD16 wurde durch Cycloheximid-Behandlung nach 2 h nicht verhindert, aber nach 8 h inhibiert (Abbildung S5). Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass FAD-BD könnte zu frühen Zeitpunkten direkt von LBD16 reguliert werden, aber zu späteren Zeitpunkten könnte es einer anderen Regulierungsebene unterliegen, die eine neue Proteinsynthese erfordert. Transiente Genexpressionsassays für Arabidopsis-Protoplasten wurden verwendet, um weiter zu zeigen, dass FAD-BD Ausdruck, aber nicht EXP14 Ausdruck, wird hochreguliert durch LBD16 (Abbildung 4b).

Funktionsverlust bei LBD18 verursacht eine reduzierte GUS-Expression im Primordium und darüberliegenden Geweben von ProfiEXP14:GUS

Das haben wir gezeigt EXP14 ist ein primäres Zielgen von LBD18 (Abbildung 3). Eine potenzielle Rolle von EXP14 bei der Zellwandlockerung steht im Einklang mit der Rolle von LBD18 bei Seitenwurzelbildung. Wir konzentrierten uns daher auf EXP14 den molekularen Mechanismus von LBD18 als Transkriptionsfaktor zu verstehen. Um das zu demonstrieren LBD18 reguliert EXP14 Promoter-Aktivität in vivo während der Seitenwurzelbildung transgene Arabidopsis, die GFP:GUS-Reporterproteine ​​unter der Kontrolle der EXP14 Promoter (ProfiEXP14:GFP:GUS) konstruiert und doppelt transgene Pflanzen erzeugt, die beides beherbergen ProfiEXP14:GFP:GUS und Profi35S:LBD18:GR konstruiert. GUS-Färbung in Blattadern, seitlichem Wurzelprimordium und Wurzelstele, Endodermis und Kortex wurde in . nachgewiesen ProfiEXP14:GFP:GUS/Pro35S:LBD18:GR doppelte transgene Pflanzen vor der DEX-Behandlung (Abbildungen 5a–c) und wurde dann durch DEX-Behandlung verstärkt (Abbildungen 5d–f). Die GUS-Expression in der Epidermis dieser doppelten transgenen Linien wurde vor der DEX-Behandlung kaum nachgewiesen (Fig. 5c), war aber nach der DEX-Behandlung stark erhöht (Fig. 5f). Diese Ergebnisse zeigen, dass LBD18 kann aktivieren EXP14 Ausdruck über die EXP14 Promotor in Geweben, in denen die Entwicklung und das Auflaufen von Seitenwurzeln stattfindet.

Um das weiter zu demonstrieren EXP14 ist ein endogenes Ziel von LBD18, wir haben generiert ProfiEXP14:GFP:GUS transgene Arabidopsis im lbd18-1 mutierter Hintergrund (ProfiEXP14:GFP:GUS/lbd18-1) und durchgeführt GUS Ausdrucksanalyse. Wir beobachteten eine Abnahme der GUS-Färbung und Expression in den Wurzeln von lbd18-1 verglichen mit denen im Wildtyp-Hintergrund (Abbildung 6). Die GUS-Färbung in der Wurzelstele verringerte sich in lbd18-1 verglichen mit dem im Wildtyp (Abbildung 6a und e). Die GUS-Färbung wurde im Wildtyp in Primordium, Endodermis, Kortex und Epidermis nachgewiesen (Abbildungen 6b–d) und verringerte sich signifikant in lbd18-1 (Abbildung 6f, g). Eine Querschnittsanalyse der Primärwurzeln zeigte auch eine schwache GUS-Färbung in Endodermis, Kortex und Epidermis und eine starke GUS-Färbung in der Wurzelstele im Wildtyp (Abbildung 6c). Die GUS-Färbung in all diesen Geweben im Wildtyp verringerte sich in lbd18-1 (Abbildung 6g). Diese Ergebnisse zeigten, dass die LBD18 Funktionsverlust reduzierte GUS-Expression im Primordium und den darüberliegenden Geweben wie Endodermis, Kortex und Epidermis, unter der Kontrolle des EXP14 Promoter. Die quantitative RT-PCR-Analyse bestätigte weiter, dass GUS Ausdruck von ProfiEXP14:GUS sank deutlich um 59 % in der Wurzel des lbd18-1 Mutante, verglichen mit der im Wildtyp (Fig. 6h). Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass EXP14 ist ein endogenes Ziel von LBD18 während der Seitenwurzelbildung.

LBD18 bindet direkt eine bestimmte Region des EXP14 Promoter in vitro und in vivo

Um das festzustellen EXP14 Promotorelement, das für die Interaktion mit LBD18 als a . erforderlich ist trans-wirkender Faktor, eine Reihe von Konstrukten, die 5′ bis 3′ terminale Deletionen des EXP14 Promoter fusioniert mit LUC generiert, und Co-Transfektionsassays wurden unter Verwendung von Arabidopsis-Mesophyll-Protoplasten mit oder ohne durchgeführt Profi35S:Ω:LBD18. Die 100-bp-Region von –699 bis –599 bp des EXP14 Es wurde gefunden, dass der Promotor relativ zum Startcodon für die transkriptionelle Aktivierung durch LBD18 notwendig ist ( 7a ). Ein heterologes Hefe-Ein-Hybrid-System wurde verwendet, um zu bestimmen, ob LBD18 die 100-bp-Region des . bindet EXP14 Promoter. Zwei DNA-Fragmente wurden aus dem EXP14 Promotor: einer von –799 bis –700 bp, bezeichnet als A-Region, diente als Negativkontrolle und der andere von –699 bis –599 bp, bezeichnet als B-Region, umfasste die minimale EXP14 Promotorelement (Abbildung 7b). Die Fragmente wurden mit dem fusioniert HIS3 Reportergen im pSK1-Vektor, was die pSK1-A-Region und die pSK1-B-Region ergibt. LBD18, unter der Kontrolle der GAL1 Promotor, wurde in den pYESTrp2-Vektor (pYESTrp2-LBD18) um ein Konstrukt zu erzeugen, in dem LBD18 Expression könnte durch Zugabe von Galactose induziert werden. Während Hefestämme, die mit der pSK1-B-Region und pYESTrp2-LBD18 konnten auf Galactose-Medium ohne Histidin wachsen, aber nicht auf Glucose-Medium (Abbildung 7c), Hefestämme, die mit der pSK1-A-Region und pYESTrp2- transformiert wurden.LBD18 nicht, was darauf hinweist, dass LBD18 die HIS3 Reportergen über die B-Region und dass LBD18 wahrscheinlich die B-Region bindet.

Um zu zeigen, dass LBD18 die bindet EXP14 Promoter in vivo, führten wir eine Chromatin-Immunpräzipitationsanalyse (ChIP) durch, indem wir LBD18, das mit Hämagglutinin (HA) markiert war, im Leserahmen mit dem N-Terminus von LBD18 in . überexprimierten lbd18-1. Arabidopsis lbd18 transgene Linien mit einem Vektor für DEX-induzierbares LBD18 Transkription erzeugt (Profi35S:DEX-induzierbar-HA:LBD18/lbd18-1 Abbildung S6), als konstitutive Überexpression von LBD18 bei Arabidopsis führte zu stark gehemmtem Wachstum und schließlich zum Tod (Soyano et al., 2008 Lee und Kim, 2010). Quantitative PCR-Assays zeigten eindeutig, dass die DEX-Behandlung die Akkumulation von PCR-Produkten aus der Region von –749 bis –550 bp in Anti-HA-Antikörper-Immunpräzipitaten signifikant induzierte (Abbildung 7d), verglichen mit der aus der Kontrolle Arabidopsis EGFP transgene Linie (Profi35S:DEX-induzierbar-HA:EGFP Abbildung S7), die zeigt, dass LBD18 an die EXP14 Promoter in vivo.

Um zu bestimmen, ob LBD18 die B-Region direkt binden kann in vitro, wurde eine EMSA unter Verwendung von neun überlappenden Oligonukleotidsonden durchgeführt, die den Bereich von –724 bis –575 bp des EXP14 Promotor und rekombinante Proteine ​​(Abbildung 8a,b). GST-LBD18 band an Sonde #6, aber nicht an eine der anderen Sonden ( 8b ). Diese Bindung wurde leicht mit 5x kältespezifischer Sonde #6 kompetitiert, wurde aber nicht durch 50x unspezifische Sonde #7 beeinflusst ( 8c ). Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass LBD18 an die 30-bp-Region von –707 bis –674 bp des . bindet EXP14 Promotor auf eine DNA-sequenzspezifische Weise.

Überexpression von EXP14 bei Arabidopsis stimuliert die Bildung von entstandenen Seitenwurzeln, während der Funktionsverlust in EXP14 reduziert die Auxin-stimulierte Seitenwurzelbildung

Mehrere Gene, die möglicherweise am Zellwand-Remodelling beteiligt sind, wie z EXP und PG, werden vor den entstehenden seitlichen Wurzelprimordien exprimiert, die für die lokale Zelltrennung und den Durchgang der Primordien durch die äußeren Zellschichten (Swarup et al., 2008 Peret et al., 2009a). Die Rolle von EXP14 in der Seitenwurzelbildung wurde durch Untersuchung der Seitenwurzeln von transgenen Arabidopsis-Pflanzen, die EXP14 unter der Kontrolle des CaMV 35S-Promotors, verglichen mit dem Wildtyp und dem exp14-1 Knock-out-Mutante (Abbildungen 9a, S8 und S9). Drei verschiedene transgene Linien zeigten eine statistisch signifikante Zunahme der Primärwurzelelongation (Abbildung S9a). Die Anzahl der entstandenen Seitenwurzeln pro Primärwurzellänge stieg bei den transgenen Linien im Vergleich zum Wildtyp und den exp14-1 Mutante (Abbildung S9b), beeinflusste jedoch die Entwicklung des Seitenwurzelprimordiums nicht (Abbildung S9c). Um weiter zu bestimmen, ob EXP14 Überexpression beeinflusst die seitliche Wurzeleinleitung oder nicht, wir haben die Anzahl der entstandenen seitlichen Wurzeln entlang des Teils der Primärwurzel, wo seitliche Wurzeln vorhanden sind (Abbildung 9b, A′), und die Dichte des seitlichen Wurzelprimordiums, d. h. die Anzahl der nicht - entstandene Seitenwurzelprimordien entlang des Teils der Primärwurzel, wo nicht entstandene Seitenwurzelprimordien vorhanden sind (Abbildung 9b, Teil B′). Wie in den Abbildungen 9c und d gezeigt, fanden wir, dass die seitlichen Wurzeldichten im Teil A′ in den drei verschiedenen transgenen Linien im Vergleich zu denen im Wildtyp in gewissem Maße zunahmen, während die seitlichen Wurzelprimordiumdichten in den transgenen Linien nicht verändert wurden. Wildtyp oder exp14-1 Mutant. Die exp14-1 Mutante zeigte keinen signifikanten Unterschied in der lateralen Wurzeldichte im Vergleich zu der des Wildtyps. Wir untersuchten, ob eine exogene Auxin-Behandlung einen unterschiedlichen Effekt auf die Seitenwurzelbildung in der exp14-1 Mutante und Wildtyp. Wie in Abbildung 9e gezeigt, verbesserte eine exogene Auxin-Behandlung die laterale Wurzeldichte in signifikant Profi35S:EXP14 transgene, verglichen mit denen im Wildtyp. Allerdings ist die exp14-1 Mutante wies im Vergleich zum Wildtyp bei einer Konzentration von Auxin-2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) von 0,1 µm eine relativ reduzierte Seitenwurzeldichte auf. Diese Ergebnisse zeigen, dass EXP14 ist an der Erleichterung der seitlichen Wurzelbildung beim seitlichen Wurzelaustritt beteiligt.


Ergebnisse

OsNLP4 beeinflusst stark das vegetative Wachstum unter verschiedenen N-Bedingungen

Um die Funktion von zu untersuchen OsNLP4 in Reis erzeugten wir zwei Knockout-Mutanten (japonika Sorte Zhonghua11 Hintergrund, ZH11) mit CRISPR-Cas9 Technologie und transgenen Linien überexprimieren OsNLP4 (OE) unter der Kontrolle von Reis AKTIN1 Promotor und erhielt eine zusätzliche T-DNA-Insertion-Mutante nlp4-3 (japonika Vielfalt Dongjin Hintergrund, DJ Abb. S1).

Bei der Kultivierung in Hydrokultur mit unterschiedlichen Nitratkonzentrationen zeigten die OE-Pflanzen signifikante Wachstumsvorteile, und die Sämlinge der nlp4 Mutanten zeigten im Vergleich zum Wildtyp (WT) eine deutliche Wachstumsverzögerung, insbesondere unter niedrigen Nitratbedingungen (0,02 mm, 0,2 mm Abbildung 1A, Abb. S2). Die Biomasse von WT, nlp4 und OE-Linien wurden von OsNLP4 unter verschiedenen N-Konzentrationen signifikant beeinflusst. Die Knockout-Mutanten zeigten die niedrigste Biomasse (Frischgewicht pro Pflanze), während die OE-Linien die höchste zeigten (Abbildung 1B). Sowohl die Spross- als auch die Wurzelbiomasse zeigten ähnliche Unterschiede zur Gesamtpflanzenbiomasse unter den Genotypen (Abbildung 1C und D). Folglich war das Frischgewichtsverhältnis von Spross zu Wurzel (S/R) für höher OsNLP4-überexprimierende Pflanzen und viel niedriger für die Mutanten, außer unter 0,02 mm Nitratbedingungen, wo die Knockout-Mutanten das höchste S/R zeigten ( 1E ). Die Triebfrischgewichte der Mutanten blieben unter 0,02 und 0,2 mm Nitratbedingungen weitgehend unverändert, während die Wurzelfrischgewichte der Mutanten unter 0,02 mm Nitratbedingungen im Vergleich zu 0,2 mm Nitratbedingungen offensichtlich abnahmen, was auf Wurzelwachstumsdefekte bei den Mutanten unter 0,02 mm Nitratbedingungen hindeutet . Die Knockout-Mutanten zeigten viel weniger und kürzere Seitenwurzeln, insbesondere unter niedrigen N-Bedingungen, und ihre Seitenwurzeln waren weniger empfindlich gegenüber Umwelt-N-Gehalten als WT und die OsNLP4-Überexpression von Linien (Abbildung 1A und F). Die Primärwurzeln der Mutanten waren jedoch unter 0,02 m m und 0,2 m m N-Bedingungen viel länger, und die Länge nahm bei den Mutanten mit steigender N-Konzentration ab, während sie in WT zunahm (Abbildung 1G). Daher ist ein höheres S/R in den Mutanten unter 0,02 m m Nitrat hauptsächlich aufgrund von seitlichen Wurzelwachstumsdefekten in den Mutanten.

zusätzlich OsNLP4-überexprimierende Linien zeigten ein gut entwickeltes Wurzelsystem mit erhöhten Wurzelzahlen und -längen im Vergleich zu WT unter 0,02 mm und 0,2 mm (Abbildung 1F und G). Alle diese Daten legen nahe, dass OsNLP4 an der N-regulierten Wurzelentwicklung beteiligt ist. Die Ergebnisse der Sprosslänge (Abbildung 1H) stimmten mit den Daten des Sprossfrischgewichts (Abbildung 1C) überein. Darüber hinaus haben wir auch die Wachstumsreaktion verschiedener Genotypen auf Ammonium getestet (Abb. S3A). Die Ergebnisse waren denen der Nitratbehandlungsgruppe mit relativ geringen Unterschieden ähnlich (Abb. S3B). Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass OsNLP4 eine entscheidende Rolle beim vegetativen Wachstum von Reis als Reaktion auf Nitrat spielt.

OsNLP4 ist eine wichtige Determinante der Reis-NUE und entscheidend für den Ertrag

Um die Rolle von OsNLP4 bei Reis-NUE zu untersuchen, führten wir Feldversuche zum Gewinn- und Verlust vonOsNLP4 Genotypen in verschiedenen Jahren an zwei verschiedenen Standorten in China: Chengdu und Lingshui. In Chengdu wurden die Feldversuche unter niedrigen (LN), normalen (NN) und hohen N (HN) Bedingungen durchgeführt, wie in Methoden beschrieben. Eine repräsentative Pflanze (aus dem Feld ausgegraben und eingetopft) jedes Genotyps, die unter drei N-Niveaus gewachsen ist, ist in Abbildung 2A gezeigt. Der Getreideertrag pro Pflanze und pro Parzelle wurde durch OsNLP4 enorm beeinflusst. Die Knockout-Mutanten zeigten eine signifikante Ertragsminderung pro Pflanze von durchschnittlich 29,8% unter LN, 30,5% unter NN und 8,7% unter HN im Vergleich zum Wildtyp. Im Gegensatz dazu zeigten die OE-Linien einen bemerkenswerten Anstieg von durchschnittlich 38,0 % unter LN, 47,2 % unter NN und 26,8 % unter HN (Abbildung 2B). Das gleiche gilt für den tatsächlichen Ertrag pro Parzelle. Die Knockout-Mutanten verringerten den Ertrag pro Parzelle um durchschnittlich 29,5 % unter LN, 30,7 % unter NN und 9,0 % unter HN, während die OE-Linien im Vergleich um durchschnittlich 37,4 % unter LN, 46,1 % unter NN und 27,7 % unter HN anstiegen mit dem Wildtyp (Abbildung 2C).

Basierend auf dem obigen Ertrag und der ausgebrachten N-Düngermenge wurde NUE berechnet und in Abbildung 2D dargestellt. Die OE-Linien steigerten die NUE im Vergleich zum Wildtyp bemerkenswert um durchschnittlich 37,3% unter LN, 48,1% unter NN und 24,5% unter HN. Im Gegensatz dazu verringerten die Knockout-Mutanten die NUE signifikant um durchschnittlich 28,9 % unter LN, 31,2 % unter NN und 10,1 % unter HN.

In einem weiteren Feldversuch mit normalem N-Gehalt in Lingshui, Provinz Hainan, wurden die Auswirkungen von OsNLP4 auf Ertrag und NUE reproduziert (Abb. S4). Die OE-Linien erhöhten auch den Kornertrag signifikant um 25,1 % (Kornertrag pro Pflanze), 23,9 % (tatsächlicher Ertrag pro Parzelle) und NUE um 24,3 % (Abb. S4C). Die T-DNA-Insertionsmutante osnlp4-3 zeigten einen dramatisch verringerten Kornertrag und NUE (Abb. S4D). Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass OsNLP4 eine wichtige Determinante von NUE und entscheidend für den Reisertrag ist.

OsNLP4 koordiniert die NUE-bezogene Genexpression

Um den molekularen Mechanismus zu untersuchen, durch den OsNLP4 NUE und Ausbeute kontrolliert, untersuchen wir die genomweite Transkriptionslandschaft, die von OsNLP4 als Reaktion auf die N-Verfügbarkeit kontrolliert wird, indem wir die Transkripte von Wildtyp (WT), Knockout-Mutanten nlp4-1 (ko) und OE-Pflanzen während eines hydroponischen Langzeitexperiments mit zwei N-Stufen (LN mit 0,02 m m Nitrat und HN mit 2 m m Nitrat).

Transkriptomische Unterschiede zwischen WT, ko und OE wurden durch paarweise Vergleiche (WT vs. ko-LN, WT vs. ko-HN, WT vs. OE-LN und WT vs. OE-HN) der Genexpressionsniveaus unter Verwendung der ausgerichteten liest, um verschiedene exprimierte Gene (DEGs) in jedem Paar zu identifizieren. Im Vergleich zum WT, DEGs mit Knockout oder Überexpression von OsNLP4 waren signifikant unterschiedlich, insbesondere zwischen WT und ko unter HN-Bedingungen, was darauf hindeutet, dass OsNLP4 einen tiefgreifenden und breiten Einfluss auf das Transkriptom als Reaktion auf Nitrat hat (Abbildung 3A und B, Abbildung S5A).

Wir klassifizierten die DEGs weiter basierend auf der Geneontologie und dem KEGG-Weg. Bemerkenswerterweise waren Gene, die an der N-Aufnahme und -Stoffwechsel beteiligt sind, in DEGs stark angereichert (Abb. S5B-C, Tabelle S1), was darauf hindeutet, dass OsNLP4 die Schlüsselgene bei der N-Verwertung koordiniert regulieren kann. Interessanterweise scheint OsNLP4, wie in Abbildung 3C gezeigt, die Expression von Nitrat-/Ammoniumtransportern mit hoher Affinität positiv zu regulieren, wie z OsNTR2.1, OsNTR2.2, OsNTR2.3, OsAMT1.2 (Hoque et al., 2006 Sonoda et al., 2003 Yan et al., 2011 ), dualaffinen Nitrattransportern, wie OsNTR1.1B und OsNTR2.4 (Hu et al., 2015 Wei et al., 2018). Neben Transportergenen, Schlüsselgenen, die an der Nitratreduktion beteiligt sind, wurde die Ammoniumassimilation dramatisch herunterreguliert nlp4-1 mutant, während sie im OsNLP4-OE-Linie. Darüber hinaus sind mehrere N-Signalgene, einschließlich OsNLP2, OsGRF4, Nitrat-induzierbarer Transkriptionsrepressor vom Typ GARP1 (OsNIGT1), FRÜHER KNOTEN 93 (OsENOD93), OsENOD93a fanden sich anders ausgedrückt in OsNLP4 mutierte und überexprimierende Pflanzen. Darüber hinaus zeigen unsere Daten, dass OsNLP4 auch die Expression einiger Gene im Zusammenhang mit dem C-Stoffwechsel beeinflusst (Abb. S5B-C, Tabelle S2).

Das Expressionsmuster der Gene, die an der N-Antwort und dem Metabolismus beteiligt sind, wurde durch RT-qPCR verifiziert, was weitgehend mit den RNA-seq-Daten übereinstimmte (Abb. S6). Darüber hinaus haben wir die Transkriptionsniveaus dieser Gene als Reaktion auf unterschiedliche Ammoniumkonzentrationen untersucht. Ähnlich wie bei der mit Nitrat behandelten Gruppe wurde die Expression vieler Gene noch positiv reguliert durch OsNLP4, insbesondere die Gene für die Ammoniumabsorption und -assimilation als Reaktion auf Ammonium (Abb. S7). Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass OsNLP4 ein zentraler Regulator ist, der den N-Stoffwechsel und die Signalübertragung in Reis orchestriert.

OsNLP4 moduliert direkt die Expression von N-Stoffwechselgenen, indem es das NRE in ihren Promotoren bindet

In Übereinstimmung mit den obigen Ergebnissen beherbergen die Promotorregionen der Schlüsselgene des N-Stoffwechsels mindestens ein NRE-Like cis-Element für die NLP-Bindung (Tabelle S3). Um zu beurteilen, ob OsNLP4 direkt an die NREs bindet, führten wir quantitative PCR-Assays zur Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) durch und bestätigten in vivo Assoziation von OsNLP4 mit NRE-enthaltenden Promotorfragmenten aus den N-Assimilationsgenen, einschließlich OsNRT2.1, OsNRT2.2, OsNRT2.3, OsNRT2.4, OsNRT1.1B, OsNIA1, OsNIA3, OsAMT1.1 und OsGRF4 (Abbildung 4A-I). Dieses Ergebnis wurde mit einem Hefe-One-Hybrid-(Y1H)-Assay weiter verifiziert (Fig. 4J). Diese Daten weisen darauf hin, dass OsNLP4 die Transkription von N-Absorptions- und Assimilationsgenen direkt regulieren kann.

OsNLP4 moduliert direkt die N-Aufnahme und -Assimilation

Um die obigen Ergebnisse des transkriptomischen Vergleichs zu bestätigen, untersuchten wir die Rolle von OsNLP4 bei der Regulierung der N-Absorption und -Assimilation. Mit einem Chlorat-Empfindlichkeits-Assay haben wir festgestellt, dass die nlp4 Mutanten zeigten eine viel geringere Chloratempfindlichkeit, während die OsNLP4-überexprimierende Linien zeigten eine signifikant höhere Chloratempfindlichkeit als WT (Abbildung 5A und B), was zeigt, dass OsNLP4 die Nitrataufnahme positiv moduliert. Laut transkriptomischer und RT-qPCR-Analyse reguliert OsNLP4 positiv die Expression von Nitrattransportgenen sowie Nitratassimilationsgenen (Abbildungen 3 und S6) und erhöht so die Nitrataufnahme und -assimilation, was zu einer Chloratsensitivität im OsNLP4-Reis überexprimieren. Dieser Punkt wurde weiter verifiziert, indem die 15 N-Nitrataufnahme direkt gemessen wurde. Die 15 N-Akkumulation in OE-Pflanzen war signifikant höher als in WT, während sie in den Knockout-Mutanten viel niedriger war (Abbildung 5C). Darüber hinaus war der Gesamt-N- und Nitratgehalt in OE-Linien erhöht, jedoch in Knockout-Mutanten im Vergleich zu denen des Wildtyps reduziert (Abbildung 5D und E).

Um die Rolle von OsNLP4 bei der Regulierung der N-Assimilation zu bestätigen, untersuchten wir den N-Assimilationsmarker Nitratreduktase und stellten fest, dass die NR-Aktivität in OE-Pflanzen im Gegensatz zur dramatischen Abnahme der nlp4 Mutanten (Abbildung 5F), was auf eine höhere Nitrat-Assimilationseffizienz im OsNLP4-überexprimierende Pflanzen, insbesondere unter niedrigen N-Bedingungen. Die obigen Ergebnisse wurden in einem unabhängigen Experiment mit reproduziert nlp4-3 Mutante (Fig. S8).

Ähnliche Ergebnisse wurden durch das 15 N-Ammonium-Fütterungsexperiment im Vergleich zur 15 N-Nitrat-Fütterung gezeigt (Abbildung 5C, Abb. S9A). Im Vergleich zu den Nitratbehandlungen war die Aktivität von NR und NiR jedoch bei den verschiedenen Genotypen unter Ammoniumbehandlungen nicht signifikant verändert (Abb. S9B und C), während die Synthese von Glutamin und Glutamat signifikant inhibiert wurde nlp4 Mutanten und verstärkt im OsNLP4-überexprimierende Pflanzen, insbesondere unter niedrigen Ammoniumbedingungen (Abb. S9D-G). Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass OsNLP4 die N-Aufnahme und -Assimilation reguliert.

OsNLP4 Expression und OsNLP4-Lokalisierung reagieren auf die N-Verfügbarkeit

Um ein umfassendes Verständnis von zu haben OsNLP4 Ausdruck als Reaktion auf die Verfügbarkeit von N führten wir eine detaillierte Zeitverlaufsanalyse von OsNLP4 Ausdruck. Wie in Abbildung 6A gezeigt, wurden Sämlinge, die unter normalen N-Bedingungen (NN) gewachsen waren, auf N-Hungerbedingungen (0N) verschoben. OsNLP4 Transkriptspiegel wurde schnell induziert und stabilisierte sich mit einem fünffachen Anstieg nach 2-stündigem N-Mangel, der so lange aufrechterhalten wurde, wie der N-Mangel verhängt wurde. Als N in Form von KNO . nachgeliefert wurde3, OsNLP4 Der Transkriptspiegel wurde innerhalb von 2 Stunden schnell auf seinen Wert vor der Induktion gesenkt. Bei erneuter NH .-Versorgung4Cl, OsNLP4 Der Transkriptspiegel nahm ebenfalls schnell ab, wurde jedoch im Vergleich zu KNO . auf einem höheren Niveau gehalten3 Behandlung (Fig. 6A), während die KCl-Kontrollbehandlung seinen Transkriptspiegel nicht veränderte. Außerdem, OsNLP4-Promotor:GUS transgene Pflanzen zeigten eine ähnliche Reaktion mit starker Beta-(β)-Glucuronidase (GUS)-Induktion durch N-Verhungern und Reversion durch wieder zugeführten N (Fig. 6B).

Die GUS-Aktivität wurde während des gesamten Lebens der Reporterpflanze (Fig. S10A-K) mit starker Expression in Koleoptilen von keimenden Samen, Blättern und Wurzeln (Fig. S10A-D) nachgewiesen. Weitere Beobachtungen zeigten, dass die GUS-Aktivität hauptsächlich in der Epidermis und im Gefäßgewebe von Blättern und Wurzeln (Abb. S10C-D und G) sowie in Stängeln, Knoten, Ährchen und Staubbeuteln (Abb. S10H-K) nachgewiesen wurde. Jedoch, OsNLP4 wurde in den Wurzelhaaren nicht exprimiert (Abb. S10F). In Übereinstimmung mit dem GUS-Färbeergebnis werden RT-qPCR-Analysen von OsNLP4 Transkriptebene zeigte ein ähnliches Muster mit hoher Expression in Blatt und Wurzel (Fig. S10L).

Um die subzelluläre Lokalisation des OsNLP4-Proteins zu untersuchen, generierten wir transgene Reislinien, die die Fusion von CDS in voller Länge von OsNLP4 mit GFP vom Reis angetrieben AKTIN1 Promoter. Wir überprüften die subzelluläre Lokalisation des OsNLP4-Proteins unter N-Aushunger- und N-Neuzugabebedingungen. OsNLP4 ist hauptsächlich im Zytosol mit niedrigen Proteinspiegeln unter N-Mangel lokalisiert (Abbildung 6C). Wenn jedoch Nitrat für 15 Minuten nachgeliefert wurde, wurden GFP-Signale im Zellkern nachgewiesen (Abbildung 6D), nach 30 Minuten wurden die GFP-Signale im Zellkern dramatisch erhöht (Abbildung 6E und F). Diese Kernakkumulation wurde rückgängig gemacht, wenn Nitrat 60 Minuten lang abgezogen wurde (Abbildung 6G). Die dramatische Änderung der GFP-Signalintensität als Reaktion auf die Verfügbarkeit von Nitrat deutet stark auf eine strenge Regulierung von OsNLP4 mRNA-Translation durch N, da die Transkriptebene von OsNLP4-GFP blieb unabhängig von den N-Bedingungen konstant hoch ( 6H ), während der OsNLP4-GFP-Proteinspiegel eine positive Korrelation mit den Nitratspiegeln zeigte ( 6I und J).

Wir testeten auch die Reaktion des transgenen Reis auf NH4Kl. Wir fanden heraus, dass die OsNLP4-GFP-Proteinspiegel langsam durch Ammonium induziert wurden. Wenn NH4Cl wurde für 6 h nach N-Entzug nachgeliefert, die Fluoreszenzsignale von OsNLP4-GFP waren schwach und hauptsächlich im Zytosol lokalisiert (Abb. S11A-C). Bis 12 h später wurden leicht erhöhte GFP-Signale im Zellkern nachgewiesen (Abb. S11D). Darüber hinaus produzierten die Sämlinge, die 10 Tage lang in 2 mm Ammoniumhydroponikkultur gezüchtet wurden, sichtbarere, aber immer noch niedrige GFP-Signale sowohl im Zytoplasma als auch im Zellkern (Fig. S11E).

OsNLP4 verbessert die N-Assimilation und das Wachstum bei Arabidopsis

Um zu untersuchen, ob OsNLP4 in ähnlicher Weise die N-Assimilation in verschiedenen Pflanzenarten modulieren kann, generierten wir OsNLP4-überexprimierende transgene Arabidopsis in nlp7-1 Hintergrund. Wir fanden eine Überexpression von OsNLP4 rettete nicht nur die N-defizienten Phänotypen von nlp7-1, aber auch signifikant erhöhte Pflanzenbiomasse unter verschiedenen Nitratbedingungen (Abb. S12A, C). Darüber hinaus hatten die Überexpressionspflanzen besser entwickelte Wurzeln (Abb. S12B, D) und wuchsen besser mit größeren Rosettenblättern und höherer Biomasse, wenn sie in Erde kultiviert wurden (Abb. S12E und F). Darüber hinaus war die Expression der Gene, die an der N-Assimilation und -Signalübertragung beteiligt sind, in Überexpressionslinien im Vergleich zu der von signifikant hochreguliert nlp7-1 und WT (Fig. S13). Diese Ergebnisse legen nahe, dass OsNLP4 ist funktionell konserviert und hat daher potentielle Anwendungen zur Verbesserung der N-Nutzung und des Pflanzenwachstums sowohl in monokotylen als auch dikotylen Kulturpflanzen.


Diskussion

Die meisten Studien zu photoperiodischen Reaktionen haben sich darauf konzentriert, wie die Uhr binäre Entwicklungsübergänge wie Blüteninduktion, Seneszenz, Knospenhärtung und Knospenbruch reguliert, um sicherzustellen, dass sie zur richtigen Jahreszeit stattfinden. Diese Entwicklungsübergänge werden durch eine kritische Photoperiode ausgelöst, in der ein vorgeschalteter Taktausgang mit einem Zeitpunkt im Hell-Dunkel-Zyklus zusammenfällt, zu dem nachgeschaltete Transkripte oder Proteine ​​stabil und aktiv sind (Hayama & Coupland 2003 Andrés & Coupland 2012 ). Weniger bekannt ist, wie die Uhr Prozesse reguliert, die vom Licht als Energiequelle abhängen und über einen weiten Bereich von Photoperioden progressiv reagieren. Wir haben drei Fragen gestellt. Erstens erfordert das „externe Koinzidenzmodell“, dass der Verlauf des Kerntakts und das Timing der Taktausgaben weitgehend gegen Änderungen der Dauer der Lichtperiode gepuffert werden. Trotz der allgemein dämmerungsdominanten Mitnahme in Arabidopsis, gibt es Hinweise darauf, dass die Phase vieler Taktkomponenten in kurzen Photoperioden leicht vorgerückt sein kann (siehe Abschnitt Einführung). Wir fragten, ob dies ein allgemeines Phänomen ist, das alle Uhrengene betrifft, und ob es progressiv über einen weiten Bereich von Photoperioden hinweg auftritt. Zweitens fragten wir, ob photoperiodenabhängige Veränderungen der Uhrenprogression von aktuellen Uhrenmodellen vorhergesagt werden oder ob es notwendig sein könnte, neue Eingaben zu postulieren. Drittens haben wir gefragt, ob es große photoperiodenabhängige Veränderungen in der globalen Expression im Morgengrauen gibt, welche Rolle die Uhr im Vergleich zu C- und Lichtsignalen bei der Erzeugung dieser Veränderungen spielt und ob sie Einblicke in die Regulierung der C-Allokation und des C-Wachstums in verschiedenen Photoperioden.

Kurze Photoperioden führen zu einer Phasenvoreilung der Kernuhr und einer Vorwegnahme der Morgendämmerung

Eine umfassende qRT-PCR-Analyse der Core-Clock-Gen-Expression zeigte eine fortschreitende Verschiebung der Phase aller Clock-Gene mit der Verkürzung der Photoperiode. Dieser Befund weist auf die spürbare Dämmerungsempfindlichkeit der Uhr hin. Weitere Beweise für die Dämmerungsempfindlichkeit bei Pflanzen lieferte Deng et al. ( 2015 ), mit mutmaßlichen Uhrengenen wie HvCCA1, HvTOC1, HvGI und HvPRR73 zeigt eine Reaktion auf die Photoperiode. Dennoch verändert der Zeitpunkt der Dämmerung die Spitzenzeiten der Transkripte nur um 0,9–4,6 Stunden, obwohl sich die Photoperiode um bis zu 12 Stunden unterschied. Dies ist das Muster, das erwartet wird, wenn das Entrainment hauptsächlich von der Morgendämmerung dominiert wird. Die Dawn-Sensitivität für einzelne Gene kann durch Betrachtung der Fign. 1 und 2 und Abb. S1, wo die Hell-Dunkel-Zyklen relativ zur Morgendämmerung aufgetragen sind (siehe auch Tabelle S1). PRR9 hat eine relativ hohe Dämmerungsempfindlichkeit (4,6 h Verschiebung, auch der Spitzenwert des Transkripts ändert sich am stärksten in PRR9), ebenso wie Inhaltsverzeichnis1 (3,7 h), während PRR7 zeigt eine geringe Dämmerungsempfindlichkeit.Transkripte für die Dämmerungskomponenten zeigen eine mittlere Dämmerungsempfindlichkeit. Diese hauptsächlich von der Morgendämmerung dominierte Reaktion ermöglicht es der Uhr, eine interne Referenz für die Tageslängenmessung bereitzustellen, auch wenn die Rhythmen von Ausgabekomponenten wie CO leicht vorgezogen werden können. Andererseits haben diese kleinen Änderungen der Taktphase, wie in den folgenden Texten diskutiert, einen großen Einfluss auf die Expression rhythmischer Gene mit steil ansteigenden oder fallenden Profilen im Morgengrauen, und dieser Effekt wird oft durch Änderungen von C- und Licht verstärkt -Signalisierung.

Die photoperiodenabhängige Verschiebung der Taktphase relativ zur Morgendämmerung wird von aktuellen Uhrenmodellen weitgehend reproduziert

Wir simulierten die photoperiodenabhängigen Veränderungen der Uhrengenexpression mit dem Uhrenmodell von Pokhilko et al. ( 2012 ), eine Version dieses Modells nach Reparametrisierung mit Expressionsdaten aus der aktuellen Photoperiodenbehandlung und einem umfangreichen Datensatz für mehrere Clock-Mutanten (Flis et al. 2015) und das Modell von Fogelmark & ​​Troein (2014). Alle drei Modelle simulierten die progressive Phasenverschiebung in kurzen Photoperioden, wobei letztere die beste Anpassung ergab. Die Anpassung war bei 18, 12 und 8 h Photoperioden besser als bei 6 h Photoperioden

Der Phasenvorlauf von LHY in kurzen Photoperioden liefert ein anschauliches Beispiel dafür, wie die modellierten molekularen Mechanismen zu Phasenänderungen führen. LHY wird von PRRs unterdrückt, einschließlich PRR7, PRR5 und TOC1 (Nakamichi et al. 2010, 2012 Huang et al. 2012). Diese Regelung ist im Pokhilko . vertreten et al. ( 2012 ) und Fogelmark & ​​Troein ( 2014 ) Modelle. Entscheidend ist, dass die kodierten Proteine ​​im Licht stabil und im Dunkeln instabil sind, dies beeinflusst PRR9 (Ito et al. 2007), PRR7 (Farre & Kay 2007), PRR5 (Kiba et al. 2007 ) und TOC1 (Más et al. 2003a , 2003b ), GI (David et al. 2006 Kim et al. 2007) und ELF3 (Yu et al. 2008). Obwohl die Spitzenhäufigkeit der Transkripte von Dämmerungs- und EC-Genen in kurzen Photoperioden zunimmt, ist dieser Fortschritt viel geringer als der Fortschritt der Dämmerung. Dies bedeutet, dass die Transkripte für PRR5, Inhaltsverzeichnis1, ELF3, ELF4 und LUX Peak im Dunkeln bei einer 6-Stunden-Photoperiode um die Dämmerung bei einer 8-Stunden-Photoperiode und im Licht bei 12- und 18-Stunden-Photoperioden. Die kodierten Proteine ​​sind im Licht stabil und im Dunkeln instabil, dies betrifft PRR9 (Ito et al. 2007), PRR7 (Farre & Kay 2007), PRR5 (Kiba et al. 2007 ) und TOC1 (Más et al. 2003a , 2003b ), GI (David et al. 2006 Kim et al. 2007) und ELF3 (Yu et al. 2008). Da die Modelle den Einfluss von Licht auf die Proteinstabilität berücksichtigen, werden die vorhergesagten Spiegel von PRR7-, PRR5- und TOC1-Protein teilweise durch den Zeitpunkt der Dämmerung bestimmt. PRR5- und TOC1-Unterdrückung CCA1 und LHY (Nakamichi et al. 2010 , 2012 Gendron et al. 2012 Huang et al. 2012). In kurzen Photoperioden sagen die Modelle voraus, dass diese Proteine ​​relativ früh in der Nacht aufgebraucht sind LHY (und CCA1 was in den Modellen nicht unterschieden wird LHY) Transkript mit einer früheren Phase zu erhöhen.

Ein ähnliches Prinzip funktioniert für die EC, wo Wechselwirkungen zwischen GI, ELF3 und COP1 im Dunkeln zum Abbau von GI- und ELF3-Protein führen (David et al. 2006 Kim et al. 2007 et al. 2008 Pokhilko et al. 2012). Der frühere Rückgang der Transkripte für die Dämmerungskomponenten und EC in kurzen Photoperioden kann auch teilweise auf die Rückkopplungsregulation ihrer eigenen Expression zurückzuführen sein (Pokhilko et al. 2012). Dieser frühere Zerfall der EG wird dann die Verdrängung von PRR9 (Dixon et al. 2011 Helfer et al. 2011 Chow et al. 2012) und PRR7 (Dixon et al. 2011 Mizuno et al. 2014 ).

PRR9 Transkript zeigte eine besonders große Phasenverschiebung, die von den Modellen schlecht simuliert wurde. Die Beobachtung, dass PRR9 das Transkript erst nach Sonnenaufgang aufsteigt, außer geringfügig in der 6-h-Photoperiode, stimmt mit der Vorstellung überein, dass Licht induziert PRR9 (Makino et al. 2002 : Ito et al. 2005, 2007). Allerdings ist der Anstieg von PRR9 nach der Morgendämmerung verzögert sich in langen Photoperioden, was darauf hindeutet, dass ein Faktor, der der positiven Wirkung von Licht auf PRR9 in kurzen Photoperioden bis zum Morgengrauen zerfallen ist, aber in langen Photoperioden erst später zerfällt. Eine Möglichkeit ist die vorgeschlagene Aktivierung von PRR9 von LHY und CCA1 (Farre et al. 2005 Salome & McClung 2005 ), die aufgrund der verzögerten Induktion der Dawn-Gene in langen Photoperioden später auftreten könnten. Diese Aktivierung fehlt im Modell von Fogelmark & ​​Troein ( 2014 ) und ist minimal (weniger als ein Zehntel so effektiv wie Lichtaktivierung) im Modell von Pokhilko et al. (2012). Es gibt stärkere und direktere Beweise dafür, dass PRR9 wird von der EG (Dixon et al. 2011 Helfer et al. 2011 Chow et al. 2012 ), die in langen Photoperioden bis zum Morgengrauen oder später andauern können. Diese Verdrängung ist in allen Modellen enthalten. Dies sind jedoch möglicherweise nicht die einzigen Faktoren, da keine der Simulationen die große Verschiebung des Zeitpunkts von reproduzierte PRR9 Ausdruck.

PRR7 Das Transkript beginnt vor der Morgendämmerung zu steigen, wobei der Anstieg vor der Morgendämmerung mit der Verkürzung der Photoperiode immer deutlicher wird. Kürzlich wurde berichtet, dass PRR7 wird durch Zucker unterdrückt (Haydon et al. 2013 ), obwohl die verwendeten Behandlungen eher extrem waren und wahrscheinlich zu C-Hunger geführt hätten. PRR7 Die Abundanz der Transkripte nimmt im stärkefreien leicht vor der Morgendämmerung zu pgm mutant, im Einklang mit der Möglichkeit, dass PRR7 kann durch extrem niedriges C am Ende der Nacht induziert werden. Die Rate des Stärkeabbaus und der Saccharosegehalt in der Nacht nehmen mit der Verkürzung der Photoperiode zunehmend ab (Smith & Stitt 2007 Gibon et al. 2009 Sulpice et al. 2014 ), was die Möglichkeit erhöht, dass ein früherer Anstieg von PRR7 Transkript in kurzen Photoperioden kann eine frühere Freisetzung von Zuckerrepression widerspiegeln. Dieser Fortschritt in PRR7 Phase wurde mit dem Modell von Fogelmark & ​​Troein ( 2014 ) simuliert, außer in der sehr kurzen 6-Stunden-Photoperiode, was darauf hindeutet, dass C-bezogene Einträge und Aktivierung durch LHY und CCA1 ist für dieses Verhalten möglicherweise nicht erforderlich, da diese Faktoren durch dieses Modell nicht explizit dargestellt werden. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass das derzeitige mechanistische Verständnis, wie es in den Modellen enthalten ist, ausreicht, um viele Aspekte der Uhrenreaktionen auf die Photoperiode zu verstehen.

Große photoperiodenabhängige Veränderungen der globalen Genexpression im Morgengrauen

Transkript-Profiling zeigte große photoperiodenabhängige Veränderungen der Transkript-Profile in der Morgen- und Abenddämmerung. Änderungen in der Abenddämmerung werden erwartet, da dämmerungsdominante Rhythmen zu unterschiedlichen Zeiten nach der Morgendämmerung abgetastet werden. Die großen Veränderungen im Morgengrauen weisen direkter auf den starken Einfluss der Photoperiode auf die globale Expression hin. Unerwarteterweise hatte die Photoperiode in der Morgendämmerung einen etwas größeren Einfluss auf die globale Transkripthäufigkeit als in der Abenddämmerung. Darüber hinaus war der Unterschied zwischen der globalen Häufigkeit von Transkripten im Morgengrauen in kurzen und langen Photoperioden größer als der Unterschied zwischen Morgen- und Abenddämmerung in einer bestimmten Photoperiode. Diese Veränderungen waren progressiv, mit Veränderungen zwischen 4 und 12 Stunden Photoperioden, in denen Metabolismus und Wachstum C-limitiert sind (Sulpice et al. 2014 ) und zwischen 12 und 18 Stunden Photoperioden, wenn Pflanzen nicht C-limitiert sind.

Überrepräsentierte Wege

Die Photoperiode beeinflusste die Transkripthäufigkeit zu Beginn vieler Transkriptionsfaktoren, E3-Ligasen, Proteinkinasen und Phosphatasen und TPS-Typ-2-Gene. Zu den überrepräsentierten Prozessen gehörten wichtige Stoffwechselwege wie Stärkeabbau, Glykolyse und Nitratstoffwechsel, Sekundärstoffwechsel, insbesondere Glucosinolat- und Flavonoidstoffwechsel, sowie ribosomale Proteine ​​und Ribosomenzusammenbau. Insgesamt weisen unsere Daten auf eine bedeutende und fortschreitende transkriptionelle Anpassung von Stoffwechsel und Wachstum als Reaktion auf die Photoperiode hin. Dies liegt den progressiven koordinierten Veränderungen der Wachstumsrate, des Saccharose- und Aminosäurespiegels und des Trehalose-6-Phosphats als Photoperiodenänderungen zugrunde (Sulpice et al. 2014 )

Uhr-, C- und Lichtsignale tragen zu photoperiodenabhängigen Veränderungen der globalen Transkripthäufigkeit im Morgengrauen bei

Wir haben zuvor gezeigt, dass Uhr-, C- und Lichtsignale einen großen Beitrag zur täglichen Regulation der Genexpression leisten (Blaesing et al. 2005 Usadel et al. 2008). Wir zeigen nun, dass diese drei Inputs einen wesentlichen Beitrag zu den großen photoperiodenabhängigen Veränderungen der globalen Expression im Morgengrauen leisten. Erstens beschleunigt das Vorrücken der Taktphase in kurzen Photoperioden die Reaktionen von nachgeschalteten Genen, die durch die Uhr reguliert werden. Zweitens führen niedrigere Zuckerwerte in der Nacht dazu, dass die C-Signalgebung in kurzen Photoperioden zunehmend ausgeprägt wird. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass sie in der Abenddämmerung im Vergleich zur Dauer der kommenden Nacht weniger Stärke aufweisen, spiegelt aber auch einen indirekten Input von der Uhr wider, der eine niedrigere Stärke des Stärkeabbaus in kurzen Photoperioden festlegt, so dass die Stärke nicht vor der Morgendämmerung vorzeitig erschöpft ist (Graf et al. 2010 Scialdone et al. 2013 ) und verringert dadurch die Verfügbarkeit von C während der Nacht (Sulpice et al. 2014). Drittens wird die Lichtsignalisierung am Ende der Nacht in kurzen Photoperioden immer schwächer. Dies liegt zum Teil daran, dass die längere Nachtdauer eine vollständigere Entspannung der lichtabhängigen Veränderungen vor der Morgendämmerung ermöglicht. Der große Nebengipfel für GI liegt in kurzen Photoperioden bei etwa ZT2, und der höhere Peak von PRR9 in kurzen Photoperioden im Vergleich zu langen Photoperioden steht im Einklang mit einer stärkeren Entspannung der Lichtsignalgebung in der Nacht und einer stärkeren Lichtsignalreaktion nach der Morgendämmerung in kurzen Photoperioden. Hoffmann et al. ( 2010 ) stellten auch eine höhere Transkripthäufigkeit von lichtregulierten Genen wie dem Pappel-Homolog von ELIP nach einer plötzlichen Abnahme der Photoperiode von 18 auf 12 fest in der Morgen- und Abenddämmerung in kurzen Photoperioden, aber nicht in langen Photoperioden.

Unsere Analyse identifiziert diese drei Eingaben auf der Ebene des gesamten Transkriptsatzes und nach der Dimensionsreduktion mittels PC-Analyse. PC1 repräsentierte fast 50% der Variation im gesamten Datensatz und erfasste Änderungen, die durch eine Interaktion zwischen der Uhr und moderaten Änderungen von C und Lichtsignalen erzeugt wurden. Zu den Genkategorien, die in PC1 überrepräsentiert waren, gehörten Stärkeabbau, Sekundärmetabolismus einschließlich Glucosinolat-, Anthocyan- und Flavonoid-Metabolismus und Ribosomen- und Ribosomen-Zusammenbau sowie Signalprozesse wie der Trehalose-Metabolismus. Eine Kombination von Uhr-, C- und Lichtsignalisierung führt dazu, dass Gene mit positiver und negativer Gewichtung in PC1 ein Maximum bzw. Minimum an Transkriptabundanz im Morgengrauen in einer 12-stündigen Photoperiode zeigen (Abb. S13). Die Photoperiodenantwort wird durch dieselbe Kombination angetrieben (Fig. 7B). Die meisten Gene mit einer hohen positiven Gewichtung in PC1 zeigen ein zirkadianes Minimum in der subjektiven Nacht und steigen nach der Morgendämmerung in einem freilaufenden Zyklus nach Entrainment zu einer 12-h-Photoperiode zu einem Maximum an, folglich erhöht der Vorschub der Taktphase in kurzen Photoperioden ihre Morgen Ausdruck. Die meisten Gene mit einer starken positiven Gewichtung in PC1 werden auch durch C und Licht unterdrückt, und diese Unterdrückung wird in kurzen Photoperioden abgeschwächt, was die Aktion der Uhr verstärkt. Die meisten Gene mit einer stark negativen Gewichtung in PC1 zeigen ein zirkadianes Minimum nahe der Morgendämmerung in einem freilaufenden Zyklus nach dem Entrainment zu einer 12-stündigen Photoperiode, und das Vorrücken der Clock-Phase in kurzen Photoperioden wird ihre Dawn-Expression verringern. Die meisten dieser Gene werden auch durch Licht und in einigen Fällen durch C induziert, und eine vollständigere Relaxation der Lichtsignale und das niedrigere C in kurzen Photoperioden werden die Abnahme der Expression im Morgengrauen verstärken.

PC2 erfasste etwa 27% der Variation und repräsentierte hauptsächlich die Taktregelung. Der Nitratmetabolismus war in PC2 überrepräsentiert, was auf eine besondere Rolle der Uhr bei der Regulierung der Nitratassimilation hinweist. Sowohl in PC1 als auch in PC2 wurden Gene hoch gewichtet, die große zirkadiane Veränderungen um die subjektive Morgendämmerung herum zeigen, wenn Pflanzen in einer 12-stündigen Photoperiode mitgerissen und dann in Freilaufbedingungen freigesetzt werden. Zu diesen Komponenten gehörten Kerntaktkomponenten sowie bekannte wichtige Upstream-Ausgabegene

Insgesamt weisen diese Analysen auf eine wichtige Rolle der Uhr bei der Regulierung der Dawn-Transkript-Abundanz hin, da sie an PC1 beteiligt ist, eine dominante Rolle in PC2 spielt und indirekt auch an der Einstellung der Stärkeabbaurate und damit der C-Versorgung während die Nacht. Sie weisen auch auf wichtige Rollen für die C- und Lichtsignalisierung hin. Ihre relative Bedeutung kann je nach beteiligtem Prozess variieren, beispielsweise kann die C-Signalgebung eine dominante Rolle bei der Expression der Transkriptionsmaschinerie spielen (siehe nachfolgende Texte).

C-Hunger trägt nicht wesentlich zur photoperiodenabhängigen Veränderung der globalen Transkripthäufigkeit im Morgengrauen bei

Die tägliche Netto-C-Zunahme nimmt zwischen einer 12–18 h Photoperiode und einer 4 h Photoperiode um das Fünffache ab (Sulpice et al. 2014). Trotz dieser starken Abnahme der C-Versorgung zeigte die Transkriptionsantwort im Morgengrauen keine starke Signatur von C-Verhungern. Dies steht im Einklang damit, dass die Stärkemobilisierung bis zum Morgengrauen gestuft wird (Graf et al. 2010 Scialdone et al. 2013 ), was zu einer Abnahme der C-Verfügbarkeit während der Nacht in kurzen Photoperioden anstatt zu C-Verhungern am Ende der Nacht führt. Letzteres tritt nur auf, wenn Pflanzen in der Abenddämmerung zu wenig Stärke enthalten, um die Unterhaltskosten zu decken (Pilkington et al. 2014). Analysen von Metaboliten- und Enzymprofilen in kurzen Photoperioden zeigten auch Ähnlichkeiten mit Veränderungen, die als Reaktion auf moderate Veränderungen von C statt C-Mangel beobachtet wurden (Gibon et al. 2009 ).

Beitrag der Transkriptionsregulation zur Anpassung des Saccharose- und Stärkestoffwechsels an die Photoperiodendauer

In kurzen Photoperioden verschiebt sich die Zuteilung von fixiertem C weg von Saccharose hin zu Stärke, die als Reserve fungiert, um den Stoffwechsel und das Wachstum in der Nacht zu unterstützen (Smith & Stitt 2007 Gibon et al. 2009 Sulpice et al. 2014). Die Häufigkeit von Transkripten für die Stärke- und Saccharose-Biosynthese reagierte jedoch nicht stark auf die Photoperiode, was darauf hindeutet, dass die erhöhte Zuweisung von fixiertem C zur Stärkesynthese in kurzen Photoperioden ein Ergebnis posttranskriptioneller oder posttranslationaler Regulation ist. Dies stimmt mit den Ergebnissen überein, dass Perioden mit niedrigem C am Ende der Nacht zu einer posttranslationalen Redoxaktivierung der AGPase (Gibon et al. 2004a Lunn et al. 2006 ), und dass die allosterische Regulation der AGPase entscheidend für die Stimulierung der Stärkesynthese in kurzen Photoperioden ist (Mugford et al. 2014). Die posttranslationale und allosterische Regulation wird es der Stärkeakkumulation ermöglichen, schnell auf tägliche Veränderungen der Lichtintensität und der Photosyntheserate zu reagieren. Die einzige Ausnahme war eine Zunahme der Transkripthäufigkeit für SPS4F/SPS4 bei langen Photoperioden. Lange Photoperioden erhöhen die Stärke des Stärkeabbaus und erfordern nachts eine höhere Saccharosesynthese. Interessanterweise ist die Transkripthäufigkeit für SPS4F/SPS4 ist nachts am höchsten (Gibon et al. 2004a Blasing et al. 2005 ) und die Stilllegung eines Homologs in Tabak hemmte den Stärkeabbau (Chen et al. 2005 ), was auf eine besondere Rolle bei der Saccharosesynthese in der Nacht hinweist.

Photoperiodenabhängige Veränderungen der Expression von Genen für den Sekundärstoffwechsel

Gene, die an der Biosynthese von Flavonoiden, Anthocyanen und Glucosinolaten beteiligt sind, waren in der Gruppe von Genen stark angereichert, die im Morgengrauen photoperiodenabhängige Veränderungen der Transkripthäufigkeit zeigten, mit einer zunehmend stärkeren Expression, wenn die Photoperiode länger wurde. Die Expression von Genen im Phenylpropanoid-Stoffwechsel war auch bei Pappeln nach einem plötzlichen Wechsel von einer 18- auf eine 12-stündige Photoperiode verringert (Hoffman et al. 2010). Diese Ergebnisse weisen auf eine verstärkte Zuweisung zur Verteidigung in langen Photoperioden hin.

Die Zunahme der Expression von Genen im Sekundärstoffwechsel in langen Photoperioden wird wahrscheinlich durch eine Kombination von Uhr-, Licht- und C-Signalisierung getrieben. Dies stimmt damit überein, dass sie sowohl in PC1 als auch in PC2 überrepräsentiert sind. Ein Vergleich mit den Reaktionen bekannter stromaufwärts gelegener Transkriptionsregulatoren wies darauf hin, dass die Zunahme des Flavonoid- und Anthocyanin-Wegs auf die Induktion von PAP1 (Borevitz et al. 2000 Tohge et al. 2005 ), die Zunahme von Genen des aliphatischen Glucosinolat-Wegs zur Induktion von MYB28 und MYB29 (Gigolashvili et al. 2007 , 2009 ) und die Zunahme von Transkripten des indolischen Glucosinolatweges zur Induktion von OBP2 (Skirycz et al. 2006). In allen Fällen werden die vorgeschalteten Aktivatoren potenziell durch die Uhr, das Licht und C reguliert.

PAP1 Transkript wurde als wichtiger Taktausgang in Harmer . hervorgehoben et al. ( 2000 ), wechselseitig wechselnd zu PIF4 Transkript und wurde anschließend als potenzielles Ziel für die PIF-Repression gelistet (Zhang et al. 2013 ) und festgestellt, dass sie eine Tagesdynamik aufweisen, die mit der PIF-Unterdrückung vereinbar ist (Seaton et al. 2015). In unserer Studie führt die Verschiebung der Taktphase zu einer Häufigkeit von Transkripten im Morgengrauen für PIF5, besonders PIF4, hoch bei kurzen Photoperioden und niedrig bei langen Photoperioden, während PAP1 Transkript zeigt weitgehend reziproke Veränderungen (vergleiche Abb. 1D und Abb. S1B mit Abb. S15B). Weiter, in der Abenddämmerung, PAL1 die Transkripthäufigkeit ist in kurzen Photoperioden hoch, in mittleren Photoperioden niedriger und in langen Photoperioden hoch, ändert sich wiederum reziprok zu Dämmerungswerten von PIF4 und PIF5 Transkripte. Dies weist darauf hin, dass PIF4 und PIF5 liefern einen Taktausgang, der Flavonoide und Anthocyane als Reaktion auf die Photoperiode reguliert. Darüber hinaus Induktion von PAL1 um C kann zur Erhöhung der Zunahme von beitragen PAL1 Transkript in der Morgendämmerung in langen Photoperioden.

Regulierung des Zeitpunkts der Ribosomen-Assemblierung

Ein schnelleres Wachstum in langen Photoperioden erfordert eine höhere Proteinsyntheserate. Dies wird nicht durch eine Zunahme der Ribosomenabundanz erreicht, die bei kurzen und langen Photoperioden ähnlich ist (Sulpice et al. 2014). Stattdessen ist die Polysomenbelastung sowohl tagsüber als auch nachts in langen Photoperioden hoch, nimmt jedoch nachts in kurzen Photoperioden stark ab (Sulpice et al. 2014). Dieser Rückgang ist wahrscheinlich auf die verringerte Verfügbarkeit von C (Pal et al. 2013 ).

Wir berichten nun über eine analoge Verschiebung im Timing der Ribosomen-Biogenese. Transkripte für ribosomale Proteine ​​und Ribosomen-Assembly-Faktoren sind in kurzen Photoperioden in der Abenddämmerung hoch und in der Morgendämmerung niedrig und in langen Photoperioden in der Morgendämmerung höher als in der Abenddämmerung. C kann ein Hauptgrund für diese fortschreitende photoperiodenabhängige Verschiebung sein.Die Expression dieser großen Gensätze korreliert stark mit der Verfügbarkeit von C, ist jedoch nicht stark uhr- oder lichtreguliert (Preis et al. 2004 Pal et al. 2013 Abb. 10 Abb. S16F). Proteinsynthese und Ribosomenassemblierung sind energieintensive Prozesse (Warner 1999). Unsere Daten zeigen, dass diese kostspieligen Prozesse bei kurzen Photoperioden zunehmend auf die Lichtperiode beschränkt sind, während sie bei langen Photoperioden bei Hell und Dunkel ähnlich häufig oder bei Dunkelheit noch schneller ablaufen.

Hohe Raten der Proteinsynthese und Ribosomenbiogenese in der Nacht können wichtig sein, um die starke Wachstumsstimulation zu erreichen, die bei langen Photoperioden beobachtet wird. Zwischen 4 und 12 h Photoperiode erhöht sich die Dauer der Lichtperiode um das Dreifache, die Wachstumsrate jedoch fast um das Vierfache (Sulpice et al. 2014). Dies erfordert eine noch stärkere Steigerung der Proteinsyntheserate und Ribosomenbiogenese, da der Proteingehalt in langen Photoperioden leicht ansteigt (Gibon et al. 2009 Hannemann et al. 2009). Unsere Analysen der Polysomenbelastung (Sulpice et al. 2014 ) und die Expression ribosomaler Proteine ​​und Ribosomen-Biogenese-Faktoren (Abb. 12) weisen darauf hin, dass dies nicht durch eine Erhöhung der Proteinsynthese- und Ribosomen-Biogenese im Licht, sondern durch eine Erhöhung der Rate in der Nacht erreicht wird. Dies kann zur Effizienz des Wachstums beitragen, da es eine höhere durchschnittliche Rate der Ribosomenbiogenese und Proteinsynthese über einen 24-Stunden-Zyklus ermöglicht. Da Ribosomen einen großen Teil des gesamten Proteins und der RNA in wachsenden Zellen ausmachen (Warner 1999), kann es von Vorteil sein, die Wachstumsraten zu erhöhen, indem die Translationsmaschinerie für einen größeren Teil des 24-Stunden-Zyklus verwendet wird, anstatt die Translationsmenge zu erhöhen Maschinen

Potentielle Rolle von SnRK1 bei photoperiodischen Reaktionen

SnRK1 spielt als Energiesensor in Pflanzen eine zentrale Rolle (Baena-Gonzalez et al. 2007 Polge et al. 2008 Jossier et al. 2009 Ramon et al. 2013 ) in Analogie zu verwandten Proteinkinasen wie SNF1 in Hefe und der AMP-regulierten Proteinkinase in Säugetieren (Hardie et al. 2012). Das Transkript für die KINβ-1 Die regulatorische Untereinheit von SnRK1 zeigte eine progressive Zunahme der Häufigkeit in der Morgendämmerung und eine Abnahme der Häufigkeit in der Abenddämmerung, wenn die Photoperiode verkürzt wurde. Polge et al. ( 2008 ) haben gezeigt, dass KINβ-1 wird kontinuierlich mit abnehmendem C induziert. Dies könnte den Anstieg der KINβ-1 Transkripthäufigkeit im Morgengrauen in kurzen Photoperioden Wie bereits diskutiert, führen kürzere Photoperioden über eine uhrenabhängige Abnahme der Stärkeabbaurate (Graf et al. 2010 ) zu einer fortschreitenden Abnahme des Saccharosespiegels (Sulpice et al. 2014). Die Abnahme der KINβ-1-Transkripthäufigkeit in der Abenddämmerung in kurzen Photoperioden kann jedoch nicht durch C-Signalisierung erklärt werden, da die Saccharosespiegel am Tag in kurzen als in langen Photoperioden niedriger sind (Sulpice et al. 2014). Es ist auch nicht leicht durch die Taktregelung zu erklären. KINβ-1 Die Transkripthäufigkeit zeigt einen zirkadianen Peak bei ZT4-8 im Dauerlicht. Die KINβ-1 Promotor enthält mehrere mutmaßliche Bindungsstellen für CCA1 und TOC1 (http://diurnal.mocklerlab.org). Von dieser zirkadianen Reaktion wird erwartet, dass sie zu einem höheren KINβ-1 Transkript in der Abenddämmerung in kurzen Photoperioden, wenn die Dämmerung mit diesem zirkadianen Peak zusammenfällt, als in langen Photoperioden, was unseren Ergebnissen entgegengesetzt ist. Dies deutet darauf hin, dass weitere Faktoren regulierend wirken KINβ-1 Transkript-Fülle in der Abenddämmerung. Eine Möglichkeit ist das KINβ-1 reagiert eher auf Veränderungen der C-Verfügbarkeit als auf C-Spiegel an sich. Das würde erklären warum KINβ-1 Das Transkript zeigt große Veränderungen zwischen Morgen- und Abenddämmerung in kurzen Photoperioden, wenn es große Veränderungen der C-Verfügbarkeit zwischen Tag und Nacht gibt, und wenig oder keine Veränderung in langen Photoperioden, wenn die C-Verfügbarkeit während des 24-Stunden-Zyklus hoch ist.

KINβ-1 wurde kürzlich als potenzielle Komponente in einem regulatorischen Netzwerk vorgeschlagen, das die C-Verfügbarkeit, den Stärkeumsatz und die C-Verwertung innerhalb und zwischen aufeinanderfolgenden Tageszyklen koordiniert (Pokhilko et al. 2014). Wir haben das gefunden KINβ-1 Die Transkripthäufigkeit korreliert mit Transkripten für Gene, die am Stärkeabbau und am Ribosomenaufbau beteiligt sind (Fig. 10). Diese Korrelationen könnten erklärt werden, wenn Änderungen in KINβ-1 Expression und SnRK1-Zusammensetzung regulieren die Expression dieser Gene. Alternative, KINβ-1 Expression und Expression dieser Gene können unter der gemeinsamen Kontrolle von stromaufwärts gelegenen Regulatoren stehen.

Zusammenfassend (Abb. 13) führen fortschreitende photoperiodenabhängige Veränderungen im Timing der Uhr-Gen-Expression dazu, dass die Uhr die Morgendämmerung in kurzen Photoperioden vorwegnimmt, aber Licht benötigt, um in langen Photoperioden Morgendämmerungsreaktionen auszulösen. Die meisten Änderungen der Taktphase werden von den neuesten Taktmodellen erfasst, mit Ausnahme einer großen Phasen- und Amplitudenverschiebung für PRR9. Es gibt große photoperiodenabhängige Veränderungen der globalen Genexpression im Morgengrauen, deren Ausmaß größer ist als die besser untersuchten täglichen Veränderungen der Genexpression. Diese großen Veränderungen im Dawn-Transkriptom sind das Ergebnis der Änderung der Taktphase, der Veränderungen der C-Versorgung während der Nacht und des Ausmaßes, in dem lichtabhängige Expressionsänderungen während der Nacht relaxieren. Die Uhr spielt eine große Rolle bei der Orchestrierung dieser photoperiodenabhängigen Veränderungen, sowohl direkt als auch indirekt über die Modulation des Stärkeumsatzes. Das Ausmaß der globalen transkriptionellen Antwort wird durch Wechselwirkungen zwischen Uhr-, C- und Lichtsignalen vergrößert. Diese Wechselwirkung ist auf der Ebene der globalen Genexpression und auf der Ebene einzelner Prozesse wie Stärkeabbau, Flavonoid- und Glucosinolatbiosynthese sowie Ribosomenbiogenese sichtbar und kann teilweise auf vorgelagerte Transkriptionsfaktoren zurückgeführt werden. Diese weit verbreiteten und koordinierten Veränderungen der Genexpression spielen eine wichtige Rolle bei der Messung des zentralen Stoffwechsels, des Sekundärstoffwechsels und des Zellwachstums bis hin zu großen Veränderungen der Photoperiodenlänge und der täglichen Netto-C-Zunahme, während schädliche Perioden des C-Mangels vermieden werden. Es ist vorstellbar, dass, während Taktphasen- und Lichtsignalisierung auf externe und oft reproduzierbare Veränderungen in der Umgebung, wie Photoperiode, reagieren, C-Signalisierung auch die Reaktion auf den physiologischen Status der Pflanze abstimmen kann. Gleichzeitig können schnelle Reaktionen, wie sie beim Stärkeumsatz beobachtet werden, nicht allein als transkriptionale Regulation verstanden werden, sondern erfordern wahrscheinlich posttranskriptionelle und posttranslationale Reaktionen.


Die effiziente Aufnahme von Makronährstoffen wie N und die Entwicklung der Merkmale, die an der Umgestaltung der Wurzelsystemarchitektur beteiligt sind, um N effizienter zu gewinnen, sind wichtige Ziele moderner Pflanzenzüchtungsprogramme (Forde, 2014). Phytohormone sind an der Kontrolle der Wurzelentwicklung und -architektur durch N-vermittelte Signale beteiligt, und neuere transkriptomische Studien haben gezeigt, dass Auxin, Ethylen und CK an der Wurzelarchitekturreaktion auf Nitrate beteiligt sind (Tian et al., 2009 Ruffel et al., 2011 Jin et al., 2012). Lemaireet al. (2013) fanden heraus, dass der Ethylen-Signalweg die Nitrataufnahme und die Expression von beeinflusst BnNRT Nitrattransportergene in Abhängigkeit von Längenänderungen des explorativen und Wurzelhaarsystems. Verschiedene Arten und sogar dieselbe Art unter verschiedenen Wachstumsbedingungen können entgegengesetzte Verhaltensweisen aufweisen. Im Vergleich zum Wildtyp Nie reif (NR) Ethylen-unempfindliche Tomatenmutanten haben mehr unterirdische Wurzeln und weniger oberirdische Adventivwurzeln. Wechselwirkungen und Übersprechen mit anderen Pflanzenhormonen können zu unterschiedlichen Reaktionen führen. Die Anwendung von exogenem Auxin führt zu unterschiedlichem Verhalten (Clark et al., 1999), was darauf hindeutet, dass die Wirkungen von Ethylen von seiner Wechselwirkung mit Auxinen sowie von abiotischen Belastungen wie Nährstoffmangel abhängen.

Ethylenmangel induziert im Allgemeinen die Wurzelentwicklung, um die Wurzelbiomasse zu erhöhen, die für die Erkundung eines weiten Bodenbereichs auf der Suche nach dem mangelhaften Nährstoff erforderlich ist. Ethylen kann die Wurzelbewegung sowie die Richtung und Länge des Wurzelwachstums modulieren (Buer et al., 2003), aber die Reaktion kann durch Wechselwirkungen mit Nährstoffen beeinflusst werden. Weitere Studien sollten durchgeführt werden, um die Wurzelarchitektur unter Bedingungen von N-Mangel oder N-Überschuss mit Ethyleninhibitoren zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass N-Mangel gleichzeitig die Ethylenentwicklung erhöht und die Bildung von Aerenchym in den Wurzeln von . induzierte Zea mays Pflanzen (Drew et al., 2000). Basale Wurzeln reagieren empfindlicher auf Ethylen als apikale Wurzeln (Takahashi et al., 2015). Die Induktion von Aerenchym ist auch ein Mittel zur Anpassung an die Überflutung, und Sauerstoffmangel kann den programmierten Zelltod (PCD) in den Wurzeln auslösen. Hypoxie in Verbindung mit N-Mangel fördert die Entwicklung des Aerenchyms, während Anoxie sie hemmt oder reduziert, da der vollständige Sauerstoffmangel das Enzym ACC-Oxidase blockiert, das den letzten Schritt der Ethylenbiosynthese katalysiert. Die Verwendung von Ethylenbiosynthese und Wirkungsinhibitoren hat gezeigt, dass Ethylen direkt an der PCD in Wurzeln beteiligt ist (He et al., 1992). Eine hohe Verfügbarkeit von N (insbesondere Nitrat) in Böden induziert die Ethylenbiosynthese in den Wurzeln. Eine Reihe von Studien hat die Auswirkungen von Ethylen und hohem Nitratgehalt auf Hülsenfrüchte untersucht, bei denen die Ethylenbiosynthese die für die N-Fixierung und die seitliche Wurzelentwicklung notwendigen Knötchen hemmt (Caba et al., 1998 Okushima et al., 2011). Die Wirkung der Wechselwirkung von Ethylen und hoher Nitratkonzentration auf die Knöllchenbildung wurde in verschiedenen Experimenten mit Ethylenaktivatoren und Biosynthesehemmern wie AVG und Silber elegant nachgewiesen (Peters und Crist-Estes, 1989 Caba et al., 1998 Nukui et al. , 2000). Die Hemmung der Knöllchenbildung ist negativ, da sie die N-Fixierung in Leguminosen reduziert, jedoch müssen Pflanzen aus ökologischer Sicht in N-reichen Böden, insbesondere Nitraten, keine Knöllchen zur gasförmigen N-Fixierung entwickeln.

Ethylen verursacht eine dreifache Reaktion in Arabidopsis Wurzeln: die schnelle Herunterregulierung der Zellverlängerung, die Induktion von ektopen Wurzelhaaren und eine Zunahme der Wurzelbreite. Le et al. (2001) fanden heraus, dass leichte Veränderungen der Konzentration von Umweltethylen in Arabidopsis modulieren die Elongation von Zielzellen in der Wurzelepidermis und schlugen vor, dass Ethylen in der Natur ein Mittel zur feinen und schnellen Einstellung der Wurzelelongation ist. Es wurde auch gezeigt, dass das C/N-Gleichgewicht an der Wurzelmorphogenese beteiligt ist (Malamy und Ryan, 2001, Martin et al., 2002) und dass C und N mit den wichtigsten Pflanzenhormonen interagieren (Sheen et al., 1999). Le et al. (2001) berichteten, dass Ethylen die Verlängerung von Wurzelzellen hemmt, jedoch die Wurzellänge in den Wurzelregionen, in denen die Zellwandbildung vor einem Anstieg des Ethylenspiegels auftritt, nicht beeinflusst. Erhöhte Ethylensynthese mit niedrigen Konzentrationen von ACC fördert die Initiierung von Seitenwurzelprimordialen, die Behandlung mit höheren ACC-Dosen hemmt jedoch die Bildung neuer Primordien, fördert jedoch die Entstehung bereits vorhandener (Ivanchenko et al., 2008). N-Mangel erhöht die Wurzelempfindlichkeit gegenüber Ethylen und die nachfolgende Aerenchymbildung bei Maiskeimlingen (He et al., 1992), obwohl die Ethylenproduktion reduziert wird (Drew et al., 1989). Tari und Csiszár (2003) haben herausgefunden, dass die Nitritbehandlung bei pH 4,0 die Entwicklung von Ethylen aus der Wurzelspitze, aber nicht aus der Basis verringert. Yanget al. (2011) berichteten, dass Ethylen NH . hemmt4-stimulierte Wurzelhaarverzweigung und ACC 0,04 mM antagonisierte die Wirkung von NH4 durch Reduzierung der Haarverzweigung von den 24%, die durch NH . verursacht werden4NEIN3 auf nur 5 %.

Nitrat kann sowohl als Nährstoff als auch als Signal fungieren, das die globale Genexpression in Pflanzenorganen reguliert. Tianet al. (2009) fanden heraus, dass bei hohen Nitratwerten die Ethylenproduktion der Wurzeln durch eine erhöhte Expression der Gene, die kodieren, ansteigt ACS und ACO. Sie zeigten auch, dass Ethylen die nitratabhängige Wurzelentwicklung reguliert, indem es die Expression von Nitrattransportern moduliert NRT1.1 und NRT2.1, was zeigt, dass die Ethylen-Signalgebung an der Regulierung der Nitrataufnahme aufgrund von Veränderungen der Wurzeldehnung beteiligt ist. Die etr1-3 und ein2-1 Mutanten des Ethylen-Signalwegs waren gegenüber hohen Nitratkonzentrationen unempfindlich. Lemaireet al. (2013) zeigten, dass die Behandlung mit der Ethylenvorstufe ACC eine teilweise kompensatorische Erhöhung der N-Aufnahme induziert, verbunden mit der Überexpression der Nitrattransportergene, BnNRT2.1 und BnNRT1.1. Ähnliche Ergebnisse wurden von Leblanc et al. (2008) und LeNy et al. (2013), der darauf hindeutet, dass es eine lineare Korrelation zwischen Wurzellänge und BnNRT2.1 Expressionsspiegel als Reaktion auf 10 μM AVG oder Änderungen der Nitratverfügbarkeit. Leblanc et al. (2013) berichteten von einem Rückgang der BnNrt2.1 Expression mit einem Anstieg der ACC-Konzentrationen von 0,1 auf 10 μM, was darauf hindeutet, dass BnNrt2.1 die Expression kann sich durch einen noch unbekannten Regulationsmechanismus an Veränderungen in der absorbierenden Oberfläche der ganzen reifen Wurzel anpassen. Leblancet al. (2008) fanden heraus, dass die schnelle Modulation der Wurzelverlängerung stärker vom Ethylen als vom Nitratsignal abhängt: Die ACC-Behandlung reduzierte die C-Allokation und den Aspartatgehalt in den Wurzeln, was zeigt, dass der Aspartatgehalt mit Veränderungen der Wurzellänge und der Sprossoberfläche korreliert. Canaleset al. (2014) berichteten, dass bis zu 10 % der Arabidopsis Genome reagieren auf N und etwa 7% in Mais-Transkriptomen (Yang et al., 2011). Die N-induzierte Wurzelentwicklungsplastizität ist hochgradig zellspezifisch und innerhalb der Wurzel fein reguliert (Gifford et al., 2008). Unter den auf N reagierenden Genen codieren fünf auf Nitrat reagierende Gene NRT2.1, NR, HB2, NiR, und HB1 sind in der Übergangszone speziell reguliert (Manoli et al., 2014 Trevisan et al., 2014). Trevisanet al. (2015) berichteten auch, dass die Übergangszone entscheidend für die Nitratwahrnehmung ist, die die Transkriptwerte einiger Gene direkt beeinflusst und indirekt über NR wirkt.

Ethylen ist auch an der Regulierung der Wechselwirkungen zwischen Hülsenfrüchten und Rhizobien beteiligt: ​​Es beeinflusst die anfängliche Reaktion der Wurzelhaare auf Rhizobien Bakterienexposition und das Fortschreiten der Infektion in den Kortex. Penmetsa und Cook (1997) fanden heraus, dass die Sichelmutante in Medicago Truncatula ist ethylenunempfindlich und hypernoduliert und lieferte genetische Unterstützung für die Beteiligung von Ethylen an der Regulierung der rhizobialen Symbiose, indem es ein Orthologes von kodiert EIN2. Exogenes Ethylen hemmt stark die Bildung und Funktion von N-Fixierungsknoten an Hülsenfrüchten (Peters und Crist-Estes, 1989), möglicherweise weil die Entwicklungswirkungen von Ethylen die Hemmung der Zellteilung, DNA-Synthese und Hakenexpansion umfassen (Apelbaum und Burg , 1972) und die Induktion von Phytoalexin und Extensionsbiosynthese (Ecker und Davis, 1987). Ethylen kann als sekundäres Signal zur Regulierung der Nodulation auf der Grundlage des N-Status der Pflanze und als negativer Rückkopplungsregulator der Rhizobieninfektion wirken (Oldroyd et al., 2001). Malamy und Ryan (2001) haben vorgeschlagen, dass die Anzahl der Seitenwurzeln in älteren Wurzelregionen unter Bedingungen von N-Hunger reduziert wird.


Einführung

Pflanzen sind sessile Organismen und haben eine komplizierte Beziehung zu ihrer Umwelt, da sie vollständig von den spezifischen Ressourcen und allgemeinen Lebensbedingungen in ihrer Umgebung abhängig sind. Da alle Umgebungsparameter dynamisch sind, müssen Anlagen ihre kontinuierliche Anpassung sicherstellen. Die Umwelt hat einen dramatischen Einfluss auf die Pflanzenform, -funktion und -entwicklung, was zu einer umfassenden phänotypischen Plastizität führt [1]. Um die Ressourcennutzung zu optimieren und schädliche Bedingungen zu überwuchern, behalten Pflanzen die Fähigkeit zu unbegrenztem Wachstum. Dies ist auf die anhaltende Stammzellaktivität an bestimmten Stellen des Pflanzenkörpers, den Meristemen, zurückzuführen. Meristematische Pflanzenstammzellen verewigen sich durch Zellteilung und führen zu abgeleiteten Zellen, die die Begründer von Zelldateien sind, die sich zu neuen Geweben und Organen differenzieren [2]. Bei Pflanzen ist die Organbildung weitgehend postembryonal, kontinuierlich und stark von der Umwelt beeinflusst.

Pflanzen sind häufig Angriffen von Pflanzenfressern und Krankheitserregern sowie harten Umwelteinflüssen (Frost, Sturm, Feuer, usw.) und weisen daher umfangreiche Regenerationsfähigkeiten auf, um ihr Überleben zu sichern. Pflanzen können durch Geweberegeneration lokale Schäden heilen, aber noch bemerkenswerter können sie ganze Organe ersetzen durch de novo Organogenese und kann als extremeres Beispiel sogar aus einer einzigen Zelle durch somatische Embryogenese den gesamten Pflanzenkörper regenerieren [3], [4], [5]. Diese Wege können unter geeigneten Bedingungen leicht induziert werden in vitro Bedingungen bei vielen Pflanzenarten [6]. Trotz der Tatsache, dass die Regenerationsfähigkeit von Pflanzen für die vegetative Vermehrung von Kulturpflanzensorten weitgehend ausgenutzt wird, sind unsere derzeitigen Kenntnisse über die molekularen Hintergründe der oben genannten Regenerationswege eher spärlich. Die Anwendung moderner genetischer, transkriptomischer, epigenetischer und zellulärer Bildgebungsverfahren in den letzten Jahren hat jedoch zu interessanten Einblicken in die molekularen Mechanismen geführt, die der Regenerationsfähigkeit von Pflanzen zugrunde liegen.

Es wird davon ausgegangen, dass sich pflanzliche somatische Zellen im Vergleich zu denen von Tieren flexibler differenzieren. Es wird allgemein angenommen, dass differenzierte Pflanzenzellen unter bestimmten Umständen in einen früheren Entwicklungszustand zurückkehren (dedifferenzieren) und Pluri- oder Totipotenz wiedererlangen können. Anschließend ändern die Zellen unter dem Einfluss hormoneller und umweltbedingter Reize ihr Entwicklungsschicksal und regenerieren neue Gewebe, Organe oder den ganzen Körper. Bis vor kurzem wurde dieses Phänomen als verantwortlich für die weitgehende Regenerationsfähigkeit von Pflanzen angesehen. Die kumulativen Daten weisen jedoch darauf hin, dass unter in vitro Bedingungen Spross- und Wurzelregeneration kann auch von adulten Stammzellen initiiert werden, die um die Venen im gesamten Pflanzenkörper vorhanden sind [7]. Dieser Weg ist der bei bestimmten Tieren beobachteten Organregeneration ziemlich ähnlich [8]. Obwohl dieser Befund eine Debatte über die inhärente Pluri/Totipotenz differenzierter Pflanzenzellen ausgelöst hat [8], [9], kann er nicht alle Arten der Pflanzenregeneration erklären, die höchstwahrscheinlich auf verschiedenen Wegen verlaufen können [3], [4], [10] B. während der somatischen Embryogenese ([11] und siehe Abschnitt 3 für Details).

Die Induktion der Embryonalentwicklung aus differenzierten Pflanzenzellen (somatische Embryogenese) ist die extremste und damit am besten untersuchte, aber gleichzeitig wohl auch die am wenigsten verstandene Art der Pflanzenregeneration. Das pflanzenspezifische Phänomen der somatischen Embryogenese ist das stärkste Argument für die Totipotenz differenzierter Pflanzenzellen.Es ist jedoch nicht wirklich bekannt, warum und wie differenzierte Pflanzenzellen die Totipotenz und/oder das embryonale Zellschicksal wiedererlangen und warum dieses Phänomen nur auf bestimmte Genotypen, Explantate oder Zellen beschränkt ist. Vor mehr als zwei Jahrzehnten wurde bereits erkannt, dass zellulärer Stress eine wichtige Rolle bei der Veränderung des Zellschicksals spielt, die zur Embryonalentwicklung aus differenzierten Zellen führt, und die somatische Embryogenese wurde als entwicklungsbedingte Stressreaktion vorgeschlagen [12]. Diese Ansicht wird heute weithin akzeptiert, aber die zugrunde liegenden Mechanismen sind noch kaum bekannt. In diesem Kapitel, das Dénes Dudits zu seinem 70.


Abschließende Bemerkungen

Die zufällige Bewurzelung ist eine der wichtigsten Eigenschaften bei klonal vermehrten Bäumen wie Bevölkerung. Die Etablierung und das Überleben von Pflanzen sowie die Anpassung an unterschiedliche Umgebungen sind für Züchtungsprogramme unerlässlich und sie hängen von einem guten Wurzelsystem ab. Unterschiedlich Bevölkerung Genotypen weisen eine breite Variation in der AR-Bildung auf. Die Sektionen Aigeiros und Tacamahaca zeigen die beste Bewurzelungsleistung und werden daher am gründlichsten untersucht und werden normalerweise als Elite-Eltern verwendet. Dennoch sind Merkmale von Arten anderer Sektionen wünschenswert, wie die Faserqualität von Hybrid-Espen, und die Einführung dieser Merkmale durch Kreuzung ist sehr begrenzt. Es ist daher wichtig, die Faktoren und molekularen Grundlagen zu untersuchen, die die AR-Bildung in den verschiedenen Bevölkerung Genotypen, um die phänotypische Vielfalt der Gattung zu nutzen.

Die zufällige Wurzelbildung ist ein komplexes Merkmal, das von vielen internen und externen Faktoren beeinflusst wird. Von all diesen scheinen Hormone bisher die wichtigsten und zentralen zu sein, da sie nicht nur miteinander interagieren (Abbildung 1), sondern auch mit Umweltreizen (Abbildung 2). Die meisten Studien haben sich auf die Rolle von Auxin bei der AR-Bildung konzentriert Bevölkerung der der Haupthormonregulator dieses Prozesses zu sein scheint, aber es existiert ein komplexes Crosstalk mit und zwischen anderen Phytohormonen und auch mit externen Faktoren, und dies komplexiert die Mechanismen, die das Adventivwurzeln während des Wurzelprozesses steuern. Daher sind detailliertere Studien erforderlich, in denen diese Wechselwirkungen berücksichtigt und verschiedene Genotypen analysiert werden.

Figur 2. Einflussfaktoren auf die Adventivwurzelbildung in Bevölkerung. Der Genotyp der Mutterpflanze hat einen Einfluss auf die Fähigkeit des Stecklings, Wurzeln zu schlagen. Mikroorganismen, Bodenmineralgehalt, Feuchtigkeit und Textur, Lichtqualität und -intensität, Boden- und Lufttemperatur sowie Behandlungen vor dem Pflanzen sind die Umweltfaktoren, die sowohl die Mutterpflanze, aus der der Steckling gewonnen wird, als auch den Bewurzelungsprozess beeinflussen das Schneiden selbst durch Beeinflussung der endogenen Faktoren. Der Status der Mutterpflanze wie Alterung, physiologischer Zustand sowie die Größe und Position des gesammelten Zweiges und das Datum der Zweigentnahme beeinflussen die endogenen Faktoren beim Steckling. Diese endogenen Faktoren wirken sich direkt auf den Wurzelprozess in Populus. Auxin, Jasmonat (JA), Ethylen (ET), einige Polyamine und antioxidative Verbindungen wie Salicylsäure und Flavonoide sowie der blau hervorgehobene Kohlenhydratgehalt und -verteilung sind endogene Faktoren, die die AR-Bildung positiv regulieren. Im Gegensatz dazu sind Gibbereline (GAs), Cytokinine (CKs), Absicinsäure (ABA), Brassinosterods (BRs), Strigolactone (SLs), γ-Aminobuttersäure (GABA) und einige Polyamine negative Regulatoren der AR-Bildung in Bevölkerung, und sind rot markiert.

In den letzten Jahren wurden viele transkriptomische Analysen, die während der verschiedenen Bewurzelungsphasen durchgeführt wurden, veröffentlicht und viele Gene identifiziert, die direkt oder indirekt am Bewurzelungsprozess beteiligt sind. In den ersten Stunden nach der Verwundung verändern viele Gene ihr Expressionsprofil, was darauf hindeutet, dass sie in einem sehr frühen Stadium bei der Wurzelbildung eine Rolle spielen könnten. Aufgrund der großen Vielfalt in der Verwurzelungsfähigkeit verschiedener Bevölkerung Genotypen ist der Vergleich der Ergebnisse verschiedener Studien sehr schwierig und kann den komplexen Wurzelprozess möglicherweise nicht entwirren. Es wäre jedoch sehr interessant, gute und schlechte Bewurzelungsgenotypen zu vergleichen, um Gene zu identifizieren, die für die beobachteten Unterschiede verantwortlich sind. Die Durchführung transkriptomischer Analysen zum Vergleich extremer Phänotypen könnte ein Ausgangspunkt sein, um mutmaßliche Kandidatengene zu identifizieren, die eine zufällige Verwurzelung entweder induzieren oder unterdrücken Bevölkerung Spezies.


Abstrakt

Pflanzen müssen mit starken Schwankungen der Stickstoffverfügbarkeit im Boden umgehen. Obwohl viele molekulare Akteure in Bezug darauf entdeckt werden, wie Pflanzen NO . wahrnehmen3 − Versorgung, weniger klar ist, wie Pflanzen einen Stickstoffmangel erkennen. Nach der Stickstoffentfernung aktivieren Pflanzen ihre Stickstoffmangelreaktion (NSR), die durch die Aktivierung von Nitrattransportsystemen mit sehr hoher Affinität (NRT2.4 und NRT2.5) und anderer Sentinel-Gene, die an der N-Remobilisierung beteiligt sind, gekennzeichnet ist, wie z GDH3. Mit einer Kombination aus funktioneller Genomik über Transkriptionsfaktor-Störung und molekularphysiologischen Studien zeigen wir, dass die zur HHO-Unterfamilie gehörenden Transkriptionsfaktoren durch zwei potenzielle Mechanismen wichtige Regulatoren der NSR sind. Erstens unterdrücken HHOs direkt die hochaffinen Nitrattransporter NRT2.4 und NRT2.5. hho Mutanten weisen eine erhöhte hochaffine Nitrattransportaktivität auf, was vielversprechende Perspektiven für biotechnologische Anwendungen eröffnet. Zweitens zeigen wir, dass reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wichtig sind, um NSR in Wildtyp-Pflanzen zu kontrollieren und dass HRS1- und HHO1-Überexpressoren und -Mutanten in ihrem ROS-Gehalt beeinflusst werden, was einen potentiellen Feed-Forward-Zweig des Signalwegs definiert. Zusammengenommen definieren unsere Ergebnisse die Beziehungen zweier Arten von molekularen Akteuren, die den NSR kontrollieren, nämlich ROS und die HHO-Transkriptionsfaktoren. Diese Arbeit (i) eröffnet Perspektiven auf einen wenig verstandenen nährstoffbezogenen Signalweg und (ii) definiert Ziele für die molekulare Züchtung von Pflanzen mit erhöhtem NO3 − Aufnahme.


Schau das Video: IB Biology Phototropism and Auxin (Kann 2022).