Nitrogen is an essential macronutrient for plants and nitrogen fertilizers are indispensable for modern agriculture. Unfortunately, we know too little about how plants regulate their use of soil nitrogen, to maximize fertilizers-N use by crops and pastures. This project took a dual approach, involving forward and reverse genetics, to identify N-regulators in plants, which may prove useful in the future to improve nitrogen-use efficiency in agriculture. To identify nitrogen-regulated transcription factor genes in Arabidopsis that may control N-use efficiency we developed a unique resource for qRT-PCR measurements on all Arabidpsis transcription factor genes. Using closely spaced, gene-specific primer pairs and SYBR® Green to monitor amplification of double-stranded DNA, transcript levels of 83% of all target genes could be measured in roots or shoots of young Arabidopsis wild-type plants. Only 4% of reactions produced non-specific PCR products, and 13% of TF transcripts were undetectable in these organs. Measurements of transcript abundance were quantitative over six orders of magnitude, with a detection limit equivalent to one transcript molecule in 1000 cells. Transcript levels for different TF genes ranged between 0.001-100 copies per cell. Real-time RT-PCR revealed 26 root-specific and 39 shoot-specific TF genes, most of which have not been identified as organ-specific previously.<br><br> An enlarged and improved version of the TF qRT-PCR platform contains now primer pairs for 2256 Arabidopsis TF genes, representing 53 gene families and sub-families arrayed on six 384-well plates. Set-up of real-time PCR reactions is now fully robotized. One researcher is able to measure expression of all 2256 TF genes in a single biological sample in a just one working day. The Arabidopsis qRT-PCT platform was successfully used to identify 37 TF genes which transcriptionaly responded at the transcriptional level to N-deprivation or to nitrate per se. Most of these genes have not been characterized previously. Further selection of TF genes based on the responses of selected candidates to other macronutrients and abiotic stresses allowed to distinguish between TFs regulated (i) specifically by nitrogen (29 genes) (ii) regulated by general macronutrient or by salt and osmotic stress (6 genes), and (iii) responding to all major macronutrients and to abiotic stresses. Most of the N-regulated TF genes were also regulated by carbon. Further characterization of sixteen selected TF genes, revealed: (i) lack of transcriptional response to organic nitrogen, (ii) two major types of kinetics of induction by nitrate, (iii) specific responses for the majority of the genes to nitrate but not downstream products of nitrate assimilation. All sixteen TF genes were cloned into binary vectors for constitutive and ethanol inducible over expression, and the first generation of transgenic plants were obtained for almost all of them. Some of the plants constitutively over expressing TF genes under control of the 35S promoter revealed visible phenotypes in T1 generation. Homozygous T-DNA knock out lines were also obtained for many of the candidate TF genes. So far, one knock out line revealed a visible phenotype: retardation of flowering time.<br><br> A forward genetic approach using an Arabidopsis ATNRT2.1 promoter : Luciferase reporter line, resulted in identification of eleven EMS mutant reporter lines affected in induction of ATNRT2.1 expression by nitrate. These lines could by divided in the following classes according to expression of other genes involved in primary nitrogen and carbon metabolism: (i) lines affected exclusively in nitrate transport, (ii) those affected in nitrate transport, acquisition, but also in glycolysis and oxidative pentose pathway, (iii) mutants affected moderately in nitrate transport, oxidative pentose pathway and glycolysis but not in primary nitrate assimilation. Thus, several different N-regulatory genes may have been mutated in this set of mutants. Map-based cloning has begun to identify the genes affected in these mutants. / Stickstoff ist einer der wichtigsten Makroelemente in der Natur und sein eingeschränktes Vorkommen ist häufig ein limitierender Faktor für pflanzliches Wachstum. In der Landwirtschaft eingesetzte Stickstoff-Dünger werden häufig nicht vollständig von Getreide- oder anderen kultivierten Pflanzen genutzt, sondern in die umliegenden Gewässer oder das Grundwasser ausgewaschen. Das Verständnis von pflanzlichen Signalprozessen kann helfen, Stickstoffaufnahme und -assimilation zu kontrollieren und somit den Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln in der Landwirtschaft zu reduzieren.<br><br> Die meisten der in den pflanzlichen Stickstoffstoffwechsel involvierten Gene werden auf Transkriptionsebene reguliert. Dies geschieht durch sogenannte Transkriptionsfaktoren (TFs), Proteine, die von Genen anderer Genfamilien kodiert werden. Im Rahmen dieser Promotion wurde eine einzigartige und neue Ressource zur Quantifizierung der Expressionsniveaus solcher Transkriptionsfaktoren der Modellpflanze <i>Arabidopsis thaliana</i> entwickelt und getestet. Dabei konnte die beispiellose Robustheit, Genauigkeit und Präzision dieser PCR-basierten Methode gezeigt werden. Mit Hilfe dieses experimentellen Aufbaus wurden Transkriptionsfaktoren, potentielle Regulatoren von Genen, die in Stickstoffmetabolismus involviert sind, identifiziert und charakterisiert. Um die Funktionsweise dieser Gene besser zu verstehen, wurden transgene Pflanzen erzeugt und identifiziert, die entweder erhöhte oder chemisch induzierbare Transkription und/oder einen partiellen oder vollständigen Verlust der Aktivität dieser Gene aufweisen. Die Analyse der Transkriptionsfaktoren, die unter die Kontrolle eines induzierbaren Promoters gestellt wurden, soll helfen, die genauen Zielgene dieser TFs zu identifizieren und ihre Rolle im Stickstoffmetabolismus zu erklären. Darüber hinaus bieten sie die Chance, Hierarchieebenen innerhalb der verschiedenen TFs zu erkennen. Überexpression von Transkriptionsfaktoren kann zur Generierung von Phänotypen führen, die von direktem biotechnologischen Interesse sind, wie z.B. Pflanzen mit erhöhtem Stickstoffgehalt (Aminosäuregehalt), die besser an Situationen mit Stickstoffmangel angepasst sind. Neben diesen Transkriptionsfaktoren wurden allerdings auch Mutanten mit einem genetischen Defekt in einem der wichtigsten Gene, das für den Nitrattransport in Wurzeln von <i>Arabidopsis</i> verantwortlich ist, identifiziert.

Sulphur, a macronutrient essential for plant growth, is among the most versatile elements in living organisms. Unfortunately, little is known about regulation of sulphate uptake and assimilation by plants. Identification of sulphate signalling processes will allow to control sulphate acquisition and assimilation and may prove useful in the future to improve sulphur-use efficiency in agriculture. Many of genes involved in sulphate metabolism are regulated on transcriptional level by products of other genes called transcription factors (TF). Several published experiments revealed TF genes that respond to sulphate deprivation, but none of these have been so far been characterized functionally. Thus, we aimed at identifying and characterising transcription factors that control sulphate metabolism in the model plant Arabidopsis thaliana. To achieve that goal we postulated that factors regulating Arabidopsis responses to inorganic sulphate deficiency change their transcriptional levels under sulphur-limited conditions. By comparing TF transcript profiles from plants grown on different sulphate regimes, we identified TF genes that may specifically induce or repress changes in expression of genes that allow plants to adapt to changes in sulphate availability. Candidate genes obtained from this screening were tested by reverse genetics approaches. Transgenic plants constitutively overproducing selected TF genes and mutant plants, lacking functional selected TF genes (knock out), were used. By comparing metabolite and transcript profiles from transgenic and wild type plants we aimed at confirming the role of selected AP2 TF candidate genes in plant adaptation to sulphur unavailability. After preliminary characterisation of WRKY24 and MYB93 TF genes, we postulate that these factors are involved in a complex multifactorial regulatory network, in which WRKY24 and MYB93 would act as superior factors regulating other transcription factors directly involved in the regulation of S-metabolism genes. Results obtained for plants overproducing TOE1 and TOE2 TF genes suggests that these factors may be involved in a mechanism, which is promoting synthesis of an essential amino acid, methionine, over synthesis of another amino acid, cysteine. Thus, TOE1 and TOE2 genes might be a part of transcriptional regulation of methionine synthesis. Approaches creating genetically manipulated plants may produce plant phenotypes of immediate biotechnological interest, such as plants with increased sulphate or sulphate-containing amino acid content, or better adapted to the sulphate unavailability. / Der fuer das Pflanzenwachstum essentielle Makro-Naehrstoff Schwefel gehoert zu den vielseitigsten Elementen in lebenden Organismen. Ungluecklicherweise ist nur wenig ueber die Regulation der Schwefel Aufnahme und Assimilation von Pflanzen bekannt. Die Identifizierung von Schwefel Signalweiterleitungsprozessen wird es erlauben, die Aufnahme und Assimilation von Schwefel zu kontrollieren und koennte sich in der Zukunft als nuetzlich erweisen, die Effizienz der Schwefel Nutzung in der Landwirtschaft zu verbessern. Viele Gene, die am Schwefel Metabolismus beteiligt sind, werden auf Transkriptionsebene durch die Produkte anderer Gene, sogenannter Transkriptionsfaktoren (TF), reguliert. Mehrere veroeffentlichte Versuche beschreiben TF Gene, die auf Schwefel Mangel reagieren, es wurde jedoch bisher keines dieser Gene funktionell charakterisiert. Daher war es unser Ziel die TF, die den Schwefel Metabolismus in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana kontrollieren, zu identifizieren und charakterisieren. Um dies zu erreichen postulierten wir, dass die Faktoren, die die Reaktion von Arabidopsis auf den Mangel an anorganischem Schwefel regulieren, das Mass ihrer Transkription unter Schwefelmangel aendern. Durch den Vergleich von TF Transkriptionsprofilen von Pflanzen, die unter verschiedenen Schwefelbedingungen aufgezogen wurden, identifizierten wir TF Gene, die moeglicherweise spezifisch Aenderungen in der Expression von Genen, die den Pflanzen erlauben sich an Aenderungen der Schwefel Verfuegbarkeit anzupassen, induzieren oder reprimieren. Die bei dieser Untersuchung erhaltenen Kandidaten Gene wurden in einen „reverse genetics“ Ansatz getestet. Es wurden transgene Pflanzen, die ausgewaehlte TF Gene konstitutiv ueberproduzieren, und Mutanten, denen ausgewaehlte funktionierende TF Gene fehlen („knock out“), benutzt. Durch den Vergleich von Metabolisten und Transkript Profilen transgener und wildtyp Pflanzen zielten wir auf die Bestaetigung der Rolle ausgewaehlter AP2 TF Kandidaten Gene bei der Anpassung an Schwefel Unverfuegbarkeit ab. Nach vorlaeufiger Charakterisierung von WRKY24 und MYB93 TF Genen postulieren wir, dass diese Faktoren an einem komplexen multifaktoriellen Regulationsnetzwerk beteiligt sind, in dem WRKY24 und MYB93 als uebergeordnete Faktoren agieren und andere TF regulieren, die direkt an der Regulation von Schwefel Metabolismus Genen beteiligt sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Pflanzen, die TOE1 und TOE2 TF Gene ueberproduzieren deuten darauf hin, dass diese Faktoren an einem Mechanismus beteiligt sein koennten, der die Synthese einer essentiellen Aminosaeure, Methionin, zu Ungunsten der Synthese einer anderen Aminosaeure, Cystein, foerdert. Daher koennten TOE1 und TOE2 Gene Teil der transkriptionellen Regulation der Methionin Synthese sein. Die Herstellung genetisch manipulierter Pflanzen koennte Pflanzenphaenotypen erzeugen, die von sofortigem biotechnologischen Interesse sind, beispielsweise Pflanzen mit erhoehtem Gehalt an Schwefel oder schwefelhaltigen Aminosaeuren, oder Pflanzen, die besser an Schwefel Unverfuegbarkeit angepasst sind.

Transcription factors (TFs) are global regulators of gene expression playing essential roles in almost all biological processes, and are therefore of great scientific and biotechnological interest. This project focused on functional characterisation of three DNA-binding-with-one-zinc-finger (DOF) TFs from the genetic model plant Arabidopsis thaliana, namely OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. These genes were selected due to severe growth phenotypes conferred upon their constitutive over-expression. To identify biological processes regulated by OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 in detail molecular and physiological characterization of transgenic plants with modified levels of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 expression (constitutive and inducible over-expression, RNAi) was performed using both targeted and profiling technologies. Additionally expression patterns of studied TFs and their target genes were analyzed using promoter-GUS lines and publicly available microarray data. Finally selected target genes were confirmed by chromatin immuno-precipitation and electrophoretic-mobility shift assays. This combinatorial approach revealed distinct biological functions of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. Specifically OBP2 controls indole glucosinolate / auxin homeostasis by directly regulating the enzyme at the branch of these pathways; CYP83B1 (Skirycz et al., 2006). Glucosinolates are secondary compounds important for defence against herbivores and pathogens in the plants order Caparales (e.g. Arabidopsis, canola and broccoli) whilst auxin is an essential plant hormone. Hence OBP2 is important for both response to biotic stress and plant growth. Similarly to OBP2 also AtDOF4;2 is involved in the regulation of plant secondary metabolism and affects production of various phenylpropanoid compounds in a tissue and environmental specific manner. It was found that under certain stress conditions AtDOF4;2 negatively regulates flavonoid biosynthetic genes whilst in certain tissues it activates hydroxycinnamic acid production. It was hypothesized that this dual function is most likely related to specific interactions with other proteins; perhaps other TFs (Skirycz et al., 2007). Finally OBP1 regulates both cell proliferation and cell expansion. It was shown that OBP1 controls cell cycle activity by directly targeting the expression of core cell cycle genes (CYCD3;3 and KRP7), other TFs and components of the replication machinery. Evidence for OBP1 mediated activation of cell cycle during embryogenesis and germination will be presented. Additionally and independently on its effects on cell proliferation OBP1 negatively affects cell expansion via reduced expression of cell wall loosening enzymes. Summing up this work provides an important input into our knowledge on DOF TFs function. Future work will concentrate on establishing exact regulatory networks of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 and their possible biotechnological applications. / Biologische Prozesse, wie beispielsweise das Wachstum von Organen und ganzen Organismen oder die Reaktion von Lebewesen auf ungünstige Umweltbedingungen, unterliegen zahlreichen Regulationsmechanismen. Besonders wichtige Regulatoren sind die sogenannten Transkriptionsfaktoren. Dabei handelt es sich um Proteine, die die Aktivität von Erbeinheiten, den Genen, beeinflussen. In Pflanzen gibt es etwa 2000 solcher Regulatoren. Da sie wichtige Kontrollelemente darstellen, sind sie von großem wissenschaftlichen und biotechnologischen Interesse. Im Rahmen der Doktorarbeit sollte die Funktion von drei Transkriptionsfaktoren, genannt OBP1, OBP2 und AtDOF4;2, untersucht werden. Sie wurden bei der Suche nach neuen Wachstumsregulatoren identifiziert. Als Untersuchungsobjekt diente die in der Öffentlichkeit kaum bekannte Pflanze Ackerschmalwand, lateinisch als Arabidopsis thaliana bezeichnet. Um die Funktion der Regulatoren zu entschlüsseln, wurden an der Modellpflanze genetische Veränderungen durchgeführt und die Pflanzen dann mit molekularbiologischen und physiologischen Methoden analysiert. Es zeigte sich, dass OBP1 an der Regulation der Zellteilung beteiligt ist. Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Gelingt es, die Zellteilung gezielt zu steuern, kann damit beispielsweise die Produktion von pflanzlicher Biomasse verbessert werden. Das OBP1-Protein übt auch einen Einfluss auf die Zellstreckung aus und beeinflusst auch auf diesem Wege das pflanzliche Wachstum. Die beiden anderen Proteine steuern Prozesse, die im Zusammenhang mit der Bildung von Pflanzeninhaltsstoffen stehen. OBP2 ist Teil eines zellulären Netzwerkes, dass die Synthese von sogenannten Glucosinolaten steuert. Glucosinolate kommen unter anderem in Broccoli und Kohl vor. Sie fungieren als Abwehrstoffe gegen Fraßinsekten. Einigen Glucosinolaten wird auch gesundheitsfördernde Wirkung zugesprochen. Das Protein AtDOF4;2 ist Komponente eines anderen Netzwerkes, dass die Bildung von Phenylpropanoiden steuert. Diese Substanzen haben strukturelle Funktion und spielen darüber hinaus eine Rolle bei der pflanzlichen Toleranz gegenüber tiefen Temperaturen. Mit der Doktorarbeit konnte das Wissen über die Transkriptionsfaktoren erheblich erweitert und die Grundlage für interessante zukünftige Arbeiten gelegt werden. Von großer Bedeutung wird es dabei sein, die Netzwerke, in die die Transkriptionsfaktoren eingebunden sind, noch besser zu verstehen. Dann wird es möglich sein, auch Teilnetzwerke gezielt zu beeinflussen, was für biotechnologische Anwendungen, beispielsweise bei der Präzisionszüchtung von nachwachsenden Rohstoffen, von zentraler Bedeutung ist.

The major aim of this thesis was to study the effect of nitrate on primary metabolism and in development of the model plant Arabidopsis thaliana. The present work has two separate topics. First, to investigate the GDH family, a small gene family at the interface between nitrogen and carbon metabolisms. Second, to investigate the mechanisms whereby nitrogen is regulating the transition to flowering time in Arabidopsis thaliana. To gain more insights into the regulation of primary metabolism by the functional characterization of the glutamate dehydrogenase (GDH) family, an enzyme putatively involved in the metabolism of amino acids and thus suggested to play different and essential roles in carbon and nitrogen metabolism in plants, knock out mutants and transgenic plants carrying RNA interference construct were generated and characterized. The effect of silencing GDH on carbon and nitrogen metabolisms was investigated, especially the level of carbohydrates and the amino acid pool were further analysed. It has been shown that GDH expression is regulated by light and/or sugar status therefore, phenotypic and metabolic analysis were developed in plants grown at different points of the diurnal rhythm and in response to an extended night period. In addition, we are interested in the effect of nutrient availability in the transition from vegetative growth to flowering and especially in nitrate as a metabolite that triggers widespread and coordinated changes in metabolism and development. Nutrient availability has a dramatic effect on flowering time, with a marked delay of flowering when nitrate is supplied (Stitt, 1999). The use of different mutants and transgenic plants impaired in flowering signalling pathways was crucial to evaluate the impact of different nitrate concentrations on flowering time and to better understand the interaction of nitrate-dependent signals with other main flowering signalling pathways. Plants were grown on glutamine as a constitutive source of nitrogen, and the nitrate supply varied. Low nitrate led to earlier flowering. The response to nitrate is accentuated in short days and in the CONSTANS deficient co2 mutant, whereas long days or overexpression of CONSTANS overrides the nitrate response. These results indicate that nitrates acts downstream of the known flowering signalling pathways for photoperiod, autonomy, vernalization and gibberellic acid. Global analyses of gene expression of two independent flowering systems, a light impaired mutant (co2tt4) and a constitutive over-expresser of the potent repressor of flowering (35S::FLC), were to be investigated under two different concentrations of nitrate in order to identify candidate genes that may be involved in the regulation of flowering time by nitrate. / Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war die Untersuchung des Effekts von Stickstoff auf den Primärmetabolisms und auf die Entwicklung der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Die vorliegende Arbeit hat zwei Unterthemen: Auf der einen Seite wurde die GDH Familie untersucht, eine kleine Genfamilie an der Schnittstelle zwischen Stick –und Kohlenstoffmetabolismus. Auf der anderen Seite wurde der Mechanismus, bei dem Stickstoff die Blütezeit in Arabidopsis thaliana kontrolliert, untersucht. Um einen tieferen Einblick in die Regulierung des Primärmetabolismus zu erhalten, wurde eine funktionelle Charakterisierung der Glutamatdehydrogenase-Familie (GDH) mit Hilfe von knock-out Mutanten und transgenen Pflanzen, die ein RNA Interferenzkonstrukt tragen, durchgeführt. GDH ist höchstwahrscheinlich am Aminosäuremetabolismus beteiligt, wobei vermutet wird, dass es verschiedene wichtige Aufgaben im Pflanzenkohlen –und stickstoffmetabolismus übernimmt. Dabei wurde der Effekt des GDH Silencing auf den Kohlen- sowie Stickstoffmetabolismus untersucht und insbesondere die Anteile von Kohlenhydraten und Aminosäuren eingehend analysiert. In vorhergehenden Studien zeigte sich, dass die GDH-Expression durch Licht und/oder die Zuckerverfügbarkeit reguliert wird. Deshalb wurden phenotypische und metabolische Analysen an Pflanzen entwickelt, die zu verschiedenen Zeitpunkten des diurnalen Rhythmus und nach einer längeren Nachtperiode gezüchtet wurden. Ausserdem interesssiert uns der Effekt der Nährstoffverfügbarkeit im Übergang vom vegetativen Wachstum zur Blüte, und vor allen Dingen Nitrat als Metabolit, welches weitreichende und koordinierte Veränderungen im Metabolismus und in der Entwicklung hervorruft. Die Nährstoffverfügbarkeit hat einen dramatischen Effekt auf die Blütezeit, insbesondere führt eine Nitratzugabe zu einer deutlichen Verzögerung der Blüte (Stitt, 1999). Der Einsatz von verschiedenen Mutanten und transgenen Pflanzen, die eine Blockade im Blüte-Signalweg aufwiesen, war ausschlaggebend, um den Einfluss von unterschiedlichen Nitratkonzentrationen auf die Blütezeit zu beurteilen, und um zu einem besserem Verständnis des Zusammenspiels von nitratabhängigen Signalen und anderen Blüte-Signalwegen zu gelangen. Die Pflanzen wuchsen auf Glutamin, das als konstitutive Stickstoffquelle diente, wobei die Nitratversorgung variierte. Niedriger Nitratanteil führte zu einer früheren Blüte. Bei kurzer Tageslänge und bei CONSTANS defizienten Mutanten (co2) ist die Reaktion auf Nitratzugabe erhöht, wohingegen bei fortgeschrittener Tageslänge oder bei Überexpression von CONSTANS die Reaktion auf Nitrat unterbleibt. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Nitrat unterhalb der bekannten Blüte-Signalwege für Photoperiode, Autonomie, Vernalisierung und Gibberelinsäure fungiert. Globale Expressionsanalysen von zwei unterschiedlichen Blütensystemen, eine licht-unempfindliche Mutante (co2tt4) und eine Mutante mit konstitutiver Expression eines potentiellen Blüte-Repressors (35S::FLC), wurden bei zwei verschiedenen Nitratkonzentrationen durchgeführt, um Kandidatengene zu identifizieren, die eine wichtige Rolle in der Regulation der Blütezeit durch Nitrat spielen könnten.

Plants are the primary producers of biomass and thereby the basis of all life. Many varieties are cultivated, mainly to produce food, but to an increasing amount as a source of renewable energy. Because of the limited acreage available, further improvements of cultivated species both with respect to yield and composition are inevitable. One approach to further progress in developing improved plant cultivars is a systems biology oriented approach. This work aimed to investigate the primary metabolism of the model plant A.thaliana and its relation to plant growth using quantitative genetics methods. A special focus was set on the characterization of heterosis, the deviation of hybrids from their parental means for certain traits, on a metabolic level. More than 2000 samples of recombinant inbred lines (RILs) and introgression lines (ILs) developed from the two accessions Col-0 and C24 were analyzed for 181 metabolic traces using gas-chromatography/ mass-spectrometry (GC-MS). The observed variance allowed the detection of 157 metabolic quantitative trait loci (mQTL), genetic regions carrying genes, which are relevant for metabolite abundance. By analyzing several hundred test crosses of RILs and ILs it was further possible to identify 385 heterotic metabolic QTL (hmQTL). Within the scope of this work a robust method for large scale GC-MS analyses was developed. A highly significant canonical correlation between biomass and metabolic profiles (r = 0.73) was found. A comparable analysis of the results of the two independent experiments using RILs and ILs showed a large agreement. The confirmation rate for RIL QTL in ILs was 56 % and 23 % for mQTL and hmQTL respectively. Candidate genes from available databases could be identified for 67 % of the mQTL. To validate some of these candidates, eight genes were re-sequenced and in total 23 polymorphisms could be found. In the hybrids, heterosis is small for most metabolites (< 20%). Heterotic QTL gave rise to less candidate genes and a lower overlap between both populations than was determined for mQTL. This hints that regulatory loci and epistatic effects contribute to metabolite heterosis. The data described in this thesis present a rich source for further investigation and annotation of relevant genes and may pave the way towards a better understanding of plant biology on a system level. / Pflanzen sind die Primärproduzenten von Biomasse und damit Grundlage allen Lebens. Sie werden nicht nur zur Gewinnung von Nahrungsmitteln, sondern zunehmend auch als Quelle erneuerbarer Energien kultiviert. Aufgrund der Begrenztheit der weltweit zu Verfügung stehenden Anbaufläche ist eine zielgerichtete Selektion und Verbesserung der verwendeten Sorten unabdingbar. Um solch eine kontinuierliche Verbesserung zu gewährleisten, ist ein grundlegendes Verständnis des biologischen Systems Pflanze nötig. Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Primärmetabolismus der Modellpflanze A. thaliana mit Methoden der quantitativen Genetik zu untersuchen und in Beziehung zu Wachstum und Biomasse zu stellen. Insbesondere sollte Heterosis, die Abweichung von Hybriden in ihren Merkmalen vom Mittelwert der Eltern, auf Stoffwechselebene charakterisiert werden. Mit Hilfe der Gas Chromatographie/ Massen Spektrometrie (GC-MS) wurden über 2000 Proben von rekombinanten Inzucht Linien (RIL) und Introgressions Linien (IL) der Akzessionen Col 0 und C24 bezüglich des Vorkommens von 181 Metaboliten untersucht. Die beobachtete Varianz erlaubte die Bestimmung von 157 metabolischen QTL (mQTL), genetischen Regionen, die für die Metabolitkonzentrationen relevante Gene enthalten. Durch die Untersuchung von Testkreuzungen der RILs und ILs konnten weiterhin 385 heterotische metabolische QTL (hmQTL) identifiziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine robuste Methode zur Auswertung von GC-MS Analysen entwickelt. Es wurde eine hoch signifikante kanonische Korrelation (r=0.73) zwischen Biomasse und Metabolitprofilen gefunden. Die unterschiedlichen Ansätze zur QTL Analyse, RILs und ILs, wurden verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Methoden komplementär sind, da mit RILs gefundene mQTL zu 56% und hmQTL zu 23% in ILs bestätigt wurden. Durch den Vergleich mit Datenbanken wurden für 67% der mQTL Kandidatengene identifiziert. Um diese zu überprüfen wurden acht dieser Gene resequenziert und insgesamt 23 Polymorphismen darin bestimmt. Die Heterosis in den Hybriden ist für die meisten Metabolite gering (<20%). Für hmQTL konnten weniger Kandidatengene als für mQTL bestimmt werden und sie zeigten eine geringere Übereinstimmung in den beiden Populationen. Dies deutet darauf hin, daß regulatorische Loci und epistatische Effekte einen wichtigen Beitrag zur Heterosis besteuern. Die gewonnenen Daten stellen eine reiche Quelle für die weitergehende Untersuchung und Annotation relevanter Gene dar und ebnen den Weg für ein besseres Verständnis des Systems Pflanze.

‘Heterosis’ is a term used in genetics and breeding referring to hybrid vigour or the superiority of hybrids over their parents in terms of traits such as size, growth rate, biomass, fertility, yield, nutrient content, disease resistance or tolerance to abiotic and abiotic stress. Parental plants which are two different inbred (pure) lines that have desired traits are crossed to obtain hybrids. Maximum heterosis is observed in the first generation (F1) of crosses. Heterosis has been utilised in plant and animal breeding programs for at least 90 years: by the end of the 21st century, 65% of worldwide maize production was hybrid-based. Generally, it is believed that an understanding of the molecular basis of heterosis will allow the creation of new superior genotypes which could either be used directly as F1 hybrids or form the basis for the future breeding selection programmes. Two selected accessions of a research model plant Arabidopsis thaliana (thale cress) were crossed to obtain hybrids. These typically exhibited a 60-80% increase of biomass when compared to the average weight of both parents. This PhD project focused on investigating the role of selected regulatory genes given their potentially key involvement in heterosis. In the first part of the project, the most appropriate developmental stage for this heterosis study was determined by metabolite level measurements and growth observations in parents and hybrids. At the selected stage, around 60 candidate regulatory genes (i.e. differentially expressed in hybrids when compared to parents) were identified. Of these, the majority were transcription factors, genes that coordinate the expression of other genes. Subsequent expression analyses of the candidate genes in biomass-heterotic hybrids of other Arabidopsis accessions revealed a differential expression in a gene subset, highlighting their relevance for heterosis. Moreover, a fraction of the candidate regulatory genes were found within DNA regions closely linked to the genes that underlie the biomass or growth heterosis. Additional analyses to validate the role of selected candidate regulatory genes in heterosis appeared insufficient to establish their role in heterosis. This uncovered a need for using novel approaches as discussed in the thesis. Taken together, the work provided an insight into studies on the molecular mechanisms underlying heterosis. Although studies on heterosis date back to more than one hundred years, this project as many others revealed that more investigations will be needed to uncover this phenomenon. / „Heterosis“ ist ein in der Genetik und der Züchtung verwendeter Begriff, der die Hybridwüchsigkeit oder die Überlegenheit der Hybriden über ihre Eltern in Bezug auf Eigenschaften wie Größe, Wachstumsrate, Biomasse, Fruchtbarkeit, Ertrag, Nährstoffgehalt, Widerstand gegen Krankheiten oder Toleranz in Bezug auf biotischen oder abiotischen Stress bezeichnet. Um Hybriden zu erzeugen, werden aus zwei verschiedenen Inzuchtlinien (reine Linien) bestehende Elternpflanzen, welche die gewünschten Eigenschaften besitzen, miteinander gekreuzt. Der stärkste Heterosiseffekt wird in der ersten Kreuzungsgeneration (F1) beobachtet. Heterosis wird in Pflanzen- und Tierzuchtprogrammen schon seit mindestens 90 Jahren genutzt. So beruhte zum Ende des 20. Jahrhunderts 65% der weltweiten Maisproduktion auf Hybridzüchtung. Es wird angenommen, dass ein Verständnis der molekularen Grundlagen der Heterosis die Schaffung neuer, überlegener Genotypen erlaubt, die dann direkt als F1-Hybriden verwendet, oder als Grundlage für zukünftige Zucht- und Selektionsprogramme dienen können. Zwei ausgewählte Akzessionen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden miteinander gekreuzt, um Hybriden zu erzeugen. Verglichen mit dem durchschnittlichen Gewicht ihren beiden Elternlinien zeigten diese eine 60-80%ige Zunahme an Biomasse. Diese Doktorarbeit befasst sich damit, die Rolle ausgewählter, regulatorischer Gene und ihre mögliche Schlüsselrolle bei der Heterosis zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wurde anhand der Gehaltsbestimmung ausgewählter Stoffwechselprodukte und Wachstumsbeobachtungen bei den Eltern und Hybriden das günstigste Entwicklungsstadium für diese Heterosisstudie bestimmt. In diesem Entwicklungsstadium wurden ungefähr 60 regulatorische Gene (d.h. Expressionsunterschiede zwischen Hybriden und Elternlinien) als Kandidaten identifiziert. Ein Großteil dieser Kandidaten waren Transkriptionsfaktoren, also Gene, die die Expression anderer Gene regulieren. Die nachfolgende Expressionsanalyse dieser Kandidatengene in Biomasse-Heterosis Hybriden anderer Arabidopsis Akzessionen zeigte bei einem Teil dieser Gene Expressionsunterschiede, die ihre Bedeutung bei der Heterosis betonen. Darüber hinaus wurde ein Teil dieser regulatorischen Kandidatengene innerhalb von DNS-Regionen gefunden, die eng mit Biomasse- oder Wachstumsheterosis in Verbindung stehen, und somit ihre Wichtigkeit in Bezug auf Heterosis unterstreichen. Weitergehende Analysen um die Rolle dieser ausgewählten regulatorischen Kandidatengene bei der Heterosis aufzuklären, waren nicht aussagekräftig genug, um ihre Rolle bei der Heterosis zu bestätigen. In der Doktorarbeit wird die Notwendigkeit neue Wege zur Aufklärung der Heterosis zu finden, diskutiert. Zusammenfassend gibt diese Doktorarbeit einen Einblick über Studien der molekularen Mechanismen, die der Heterosis zugrunde liegen. Diese Arbeit zeigt, dass obwohl Heterosis bereits seit mehr als hundert Jahren studiert wird, weitere Untersuchungen zur Aufklärung dieses Phänomens notwendig sind.

Das Wachstum und Überleben von Pflanzen basiert auf der Photosynthese in den Blättern. Diese beinhaltet die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und das simultane Einfangen von Lichtenergie zur Bildung organischer Moleküle. Diese werden nach dem Eintritt in den Metabolismus in viele andere Komponenten umgewandelt, welche die Grundlage für die Zunahme der Biomasse bilden. Blätter sind Organe, die auf die Fixierung von Kohlenstoffdioxid spezialisiert sind. Die Funktionen der Blätter beinhalten vor allem die Optimierung und Feinregulierung vieler Prozesse, um eine effektive Nutzung von Ressourcen und eine maximale Photosynthese zu gewährleisten. Es ist bekannt, dass sich die Morphologie der Blätter den Wachstumsbedingungen der Pflanze anpasst und eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Photosynthese spielt. Trotzdem ist die Regulation dieser Art der Anpassung bisher nicht verstanden. Die allgemeine Zielsetzung dieser vorliegenden Arbeit ist das Verständnis wie das Wachstum und die Morphologie der Blätter im Modellorganismus Arabidopsis thaliana reguliert werden. Besondere Aufmerksamkeit wurde hierbei der Möglichkeit geschenkt, dass es interne metabolische Signale in der Pflanze geben könnte, die das Wachstum und die Entwicklung von Blättern beeinflussen. Um diese Fragestellung zu untersuchen, muss das Wachstum und die Entwicklung von Blättern oberhalb des Levels des einzelnen Organs und im Kontext der gesamten Pflanze betrachtet werden, weil Blätter nicht eigenständig wachsen, sondern von Ressourcen und regulatorischen Einflüssen der ganzen Pflanze abhängig sind. Aufgrund der Komplexität dieser Fragestellung wurden drei komplementäre Ansätze durchgeführt. Im ersten und spezifischsten Ansatz wurde untersucht ob eine flussabwärts liegende Komponente des Zucker-Signalwegs, Trehalose-6-Phosphat (Tre-6-P), das Blattwachstum und die Blattentwicklung beinflussen kann. Um diese Frage zu beantworten wurden transgene Arabidopsis-Linien mit einem gestörten Gehalt von Tre-6-P durch die Expression von bakteriellen Proteinen die in dem metabolismus von trehalose beteiligt sind. Die Pflanzen-Linien wurden unter Standard-Bendingungen in Erde angebaut und ihr Metabolismus und ihre Blattmorphologie untersucht. Diese Experimente führten auch zu einem unerwarteten Projekt hinsichtlich einer möglichen Rolle von Tre-6-P in der Regulation der Stomata. In einem zweiten, allgemeineren Ansatz wurde untersucht, ob Änderungen im Zucker-Gehalt der Pflanzen die Morphogenese der Blätter als Antwort auf Licht beeinflussen. Dazu wurden eine Reihe von Mutanten, die im Zentralmetabolismus beeinträchtigt sind, in derselben Lichtbedingung angezogen und bezüglich ihrer Blattmorphologie analysiert. In einem dritten noch allgemeineren Ansatz wurde die natürliche Variation von morphologischen Ausprägungen der Blätter und Rosette anhand von wilden Arabidopsis Ökotypen untersucht, um zu verstehen wie sich die Blattmorphologie auf die Blattfunktion und das gesamte Pflanzenwachstum auswirkt und wie unterschiedliche Eigenschaften miteinander verknüpft sind. Das Verhältnis der Blattanzahl zum Gesamtwachstum der Pflanze und Blattgröße wurde gesondert weiter untersucht durch eine Normalisierung der Blattanzahl auf das Frischgewicht der Rosette, um den Parameter „leafing Intensity“ abzuschätzen. Leafing Intensity integrierte Blattanzahl, Blattgröße und gesamtes Rosettenwachstum in einer Reihe von Kompromiss-Interaktionen, die in einem Wachstumsvorteil resultieren, wenn Pflanzen weniger, aber größere Blätter pro Einheit Biomasse ausbilden. Dies führte zu einem theoretischen Ansatz in dem ein einfaches allometrisch mathematisches Modell konstruiert wurde, um Blattanzahl, Blattgröße und Pflanzenwachstum im Kontext der gesamten Pflanze Arabidopsis zu verknüpfen. / Plant growth and survival depend on photosynthesis in the leaves. This involves the uptake of carbon dioxide from the atmosphere and the simultaneous capture of light energy to produce organic molecules, which enter metabolism and are converted to many other compounds which then serve as building blocks for biomass growth. Leaves are organs specialised for photosynthetic carbon dioxide fixation. The function of leaves involves many trade-offs which must be optimised in order to achieve effective use of resources and maximum photosynthesis. It is known that the morphology of leaves adjusts to the growth environment of plants and this is important for optimising their function for photosynthesis. However, it is unclear how this adjustment is regulated. The general aim of the work presented in this thesis is to understand how leaf growth and morphology are regulated in the model species Arabidopsis thaliana. Special attention was dedicated to the possibility that there might be internal metabolic signals within the plant which affect the growth and development of leaves. In order to investigate this question, leaf growth and development must be considered beyond the level of the single organ and in the context of the whole plant because leaves do not grow autonomously but depend on resources and regulatory influences delivered by the rest of the plant. Due to the complexity of this question, three complementary approaches were taken. In the first and most specific approach it was asked whether a proposed down-stream component of sucrose signalling, trehalose-6-phosphate (Tre-6-P), might influence leaf development and growth. To investigate this question, transgenic Arabidopsis lines with perturbed levels of Tre-6-P were generated using the constitutive 35S promoter to express bacterial enzymes involved in trehalose metabolism. These experiments also led to an unanticipated project concerning a possible role for Tre-6-P in stomatal function, which is another very important function in leaves. In a second and more general approach it was investigated whether changes in sugar levels in plants affect the morphogenesis of leaves in response to light. For this, a series of metabolic mutants impaired in central metabolism were grown in one light environment and their leaf morphology was analysed. In a third and even more general approach the natural variation in leaf and rosette morphological traits was investigated in a panel of wild Arabidopsis accessions with the aim of understanding how leaf morphology affects leaf function and whole plant growth and how different traits relate to each other. The analysis included measurements of leaf morphological traits as well as the number of leaves in the plant to put leaf morphology in a whole plant context. The variance in plant growth could not be explained by variation in photosynthetic rates and only to a small degree by variation in rates of dark respiration. There were four key axes of variation in rosette and leaf morphology – leaf area growth, leaf thickness, cell expansion and leaf number. These four processes were integrated in the context of whole plant growth by models that employed a multiple linear regression approach. This then led to a theoretical approach in which a simple allometric mathematical model was constructed, linking leaf number, leaf size and plant growth rate together in a whole plant context in Arabidopsis.

Graduation date: 1993

A basic understanding of the molecular events occurring during zygotic embryogenesis is required to fully understand how and why only a very small percentage of somatic embryos develop past the late embryogeny phase of embryogenesis. In this work, we have identified genes that have been demonstrated to be required for late embryonic development in the model plant system Arabidopsis thaliana. These genes were subsequently isolated and cloned from Loblolly pine embryos. These isolated clones were sequenced and analyzed to reveal significant homology to the known Arabidopsis ABA responsive genes ABI3, ABI4, and ABI5. Expression analyses of all three genes were completed, and compared to reported data of ABA accumulation, as well as, expression of other ABA responsive genes during the same stages of embryogenesis. Six putative root development genes were isolated and cloned from Loblolly pine embryos. These isolated clones were sequenced and analyzed to reveal significant homology to the known Arabidopsis root development genes WOODENLEG, SHORT ROOT, SCARECROW, HOBBIT, BODENLOS, and MONOPTEROS. Full-length cDNAs were isolated and cloned for WOODENLEG, SHORT ROOT, SCARECROW and BODENLOS. Expression analyses of all six genes were completed throughout mid to late embryogenesis in Loblolly pine.

Thesis (Ph. D.)--University of Oregon, 2002. / Typescript. Includes vita and abstract. Includes bibliographical references (leaves 174-182).