Branching control mechanisms in the model tree Populus: analyzing the role of strigolactones and BRANCHED1
by Merlin Muhr
Date of Examination:2015-09-07
Date of issue:2016-05-13
Advisor:PD Dr. Thomas Teichmann
Referee:PD Dr. Thomas Teichmann
Referee:Prof. Dr. Andrea Polle
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Name:Thesis Merlin Muhr - final EDITED ohne CV.pdf
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Format:PDF
Abstract
English
Plants exhibit a large degree of phenotypic plasticity. Modifications of their genetically pre-defined body plan allow them to flexibly react to a wide range of environmental conditions. This includes changes in plant architecture, which are facilitated by the modular composition of the shoot. In the leaf axils of the primary stem, axillary buds are formed. Each of these buds has the potential to grow into a secondary stem, i.e. a branch. However, bud outgrowth is restricted and most buds are kept in a dormant state. To make the decision whether a bud is released from dormancy and grows into a branch, many endo- and exogenous factors are integrated in a complex network of hormones and transcription factors. This includes strigolactones (SLs), a novel class of phytohormones, which generally suppress bud outgrowth. The inhibitory effect of SLs is discussed to be mediated by flux modulation of the phytohormone auxin and/or regulation of other downstream targets directly within the bud. The most prominent example for a bud-specific SL-regulated gene is BRANCHED1 (BRC1), whose transcript levels are positively influenced by SLs. It encodes a transcription factor which represses bud outgrowth, most likely by regulating cell cycling. SLs and BRC1 were extensively studied in model species such as Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), pea (Pisum sativum), petunia (Petunia hybrida) and rice (Oryza sativa). In contrast, our knowledge of the genes and pathways in woody perennial species, such as the model tree poplar (Populus sp.), is limited. In this project, poplar orthologs of genes involved in SL biosynthesis (MAX4) and SL signaling (MAX2) were identified to investigate an anticipated role for SLs in controlling tree architecture. There are two orthologs each in poplar. To study their function, expression analysis was performed and transgenic lines were generated for amiRNA-mediated knockdowns of the individual orthologs, as well as simultaneous silencing of both. MAX2 knockdowns were only partially successful and no phenotype could be observed, most likely due to a redundant function of the non-silenced ortholog. In contrast, MAX4 double knockdowns were successful and typical SL-deficiency phenotypes were observed in the corresponding amiMAX4-1+2 lines. This includes highly increased shoot branching, reduced plant height, reduced internode length and increased adventitious rooting. Direct quantification of SLs generally is difficult due to their low abundance, high instability and large diversity. Furthermore, standards and references for poplar SLs are not available, making measurements not feasible. Indirect evidence for SL-deficiency in amiMAX4-1+2 plants was gathered instead, including successful complementation of the shoot phenotypes by grafting. Tree-specific aspects of bud dormancy, especially winter dormancy, were also addressed. However, an influence of SLs could not be shown, indicating that SLs only appear to suppress bud outgrowth during the vegetative period. As a downstream target of SLs and, therefore, another important component of branching control, a poplar BRC1 ortholog was identified. This gene exhibited the typical expression patterns reported for other species and a significant down-regulation in the putatively SL-deficient amiMAX4-1+2 lines. In addition, a poplar BRC2 ortholog was found based on sequence and expression analysis. Both genes may control branching in poplar, integrating different environmental factors. Taken together, the data generated in this study supports a role for SLs and BRC1 as important regulators of bud outgrowth in poplar. The findings underline the high degree of conservation of fundamental processes involved in the control of plant architecture among a range of species, including trees. Beside of being a useful tool for discovering the role of SLs and BRC1 in poplar, the highly branching lines generated in this project may be economically valuable for the use on short rotation coppices, where they may exhibit improved re-sprouting and canopy closure after coppicing.
Keywords: Strigolactones; Branching; Bud outgrowth; BRANCHED1; Tree architecture; Populus; MAX4; Poplar
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Pflanzen verfügen über ein hohes Maß an phänotypischer Plastizität. Modifikationen ihres genetisch determinierten Aufbaus ermöglichen ihnen, flexibel auf ein breites Spektrum von Umwelteinflüssen zu reagieren. Dies umfasst Veränderungen der Pflanzenarchitektur, die durch den modularen Aufbau des Sprosses ermöglicht werden. In den Blattachseln des Primärsprosses werden Achselknospen angelegt. Jede einzelne dieser Knospen hat das Potenzial, zu einem Sekundärspross, d.h. einem Zweig, auszuwachsen. Der Knospenaustrieb wird jedoch reguliert und die meisten Knospen verbleiben in einem dormanten Status. Bei der Entscheidung, ob die Dormanz einer Knospe gebrochen wird und sie zu einem Zweig auswächst, spielen diverse endo- und exogene Faktoren eine Rolle, die in einem komplexen, aus Hormonen und Transkriptionsfaktoren bestehenden Regelnetz, integriert werden. Dieses umfasst Strigolactone (SL), eine neuartige Klasse von Phytohormonen, die im Allgemeinen den Knospenaustrieb hemmen. Es wird diskutiert, dass der inhibitorische Effekt der SL durch eine Modulation des Flusses des Phytohormons Auxin und/oder die Regulation anderer nachgelagerter Faktoren direkt in der Knospe herbeigeführt wird. Das bekannteste Beispiel für ein knospenspezifisches, SL-reguliertes Gen ist BRANCHED1 (BRC1), dessen mRNA-Abundanz positiv von SL beeinflusst wird. Es codiert einen Transkriptionsfaktor der den Knospenaustrieb unterdrückt, was höchstwahrscheinlich über eine Regulation des Zellzyklus erfolgt. SL und BRC1 wurden umfassend in Modellarten wie Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), Erbse (Pisum sativum), Petunie (Petunia hybrida) und Reis (Oryza sativa) untersucht. Im Gegensatz dazu ist das Wissen über die Gene und Stoffwechselwege dieses Regelkreises in verholzten, ausdauernden Arten wie dem Modellbaum Pappel (Populus sp.), limitiert. In der vorliegenden Arbeit wurden Pappel-Orthologe von Genen, die an der SL-Biosynthese (MAX4) und der SL-Signaltransduktion (MAX2) beteiligt sind, identifiziert und auf eine vermutete Funktion in der Regulation der Baumarchitektur untersucht. Es existieren jeweils zwei Orthologe in der Pappel. Um ihre Funktion zu charakterisieren, wurden Expressionsanalysen durchgeführt und transgene Linien für amiRNA-vermittelte simultane oder einzelne knock-downs der beiden Orthologe erzeugt. Knock-downs von MAX2 waren nur teilweise erfolgreich. Es konnte kein Phänotyp beobachtet werden, was höchstwahrscheinlich auf eine redundante Funktion des nicht herunterregulierten Orthologs zurückzuführen ist. MAX4 Doppel-Knock-downs waren hingegen erfolgreich und es konnten typische SL-Mangelphänotypen in den entsprechenden amiMAX4-1+2 Linien beobachtet werden. Diese umfassten eine erhöhte Sprossverzweigung, eine Reduktion der Pflanzenhöhe, eine verkürzte Indernodienlänge sowie eine erhöhte Adventivbewurzelung. Durch ihre geringe Konzentration, hohe Instabilität und große Diversität ist die direkte Quantifizierung von SL sehr anspruchsvoll. Außerdem sind Standards und Referenzen für Pappel-SL nicht verfügbar, was direkte Messungen nicht durchführbar machte. Stattdessen wurden indirekte Hinweise auf SL-Mangel in den amiMAX4-1+2 Pflanzen gesammelt. Ein Beispiel dafür ist die erfolgreiche Komplementation der Sprossphänotypen durch Pfropfung. Baumspezifische Aspekte der Knospendormanz, besonders die Winterdormanz, wurden ebenfalls untersucht. Ein Einfluss von SL konnte aber nicht nachgewiesen werden, was darauf hinweist, dass SL den Knospenaustrieb nur in der vegetativen Periode hemmen.
Als ein SL-reguliertes Zielgen und daher eine weitere wichtige Komponente der Verzweigungskontrolle wurde ein Pappel BRC1 Ortholog identifiziert. Dieses Gen wies die typischen, in anderen Arten nachgewiesenen Expressionsmuster, sowie eine signifikant reduzierte Expression in den erzeugten amiMAX4-1+2 Linien auf, welche wahrscheinlich reduzierte SL-Level haben. Zusätzlich wurde auf der Basis von Sequenz- und Expressionsanalysen ein Pappel BRC2 Ortholog identifiziert. Beide Gene kontrollieren möglicherweise die Verzweigung in Pappeln und integrieren verschiedene Umwelteinflüsse.
Zusammengefasst legen die in diesem Projekt gewonnenen Daten eine Rolle von SL und BRC1 als wichtige Regulatoren des Knospenaustriebs in Pappeln nahe. Die Ergebnisse machen deutlich, dass grundlegende Prozesse in der Kontrolle der Pflanzenarchitektur über ein breites Spektrum von Arten, einschließlich Bäumen, hoch konserviert sind. Abgesehen von ihrer Relevanz als Grundlage zur Erforschung der Rolle von SL und BRC1 in Pappeln, sind die in diesem Projekt erzeugten stark verzweigten Linien möglicherweise wirtschaftlich für die Nutzung auf Kurzumtriebsplantagen interessant, auf welchen sie vermutlich über verbesserte Eigenschaften im Stockaustrieb nach der Ernte und im Kronenschluss verfügen.