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.

University, Diss., 2004--Bonn.

Thesis (doctoral)--Swedish University of Agricultural Sciences, 2001. / Includes bibliographical references.

Obwohl Pflanzenwurzeln mit einer Vielzahl von Pathogenen in Kontakt kommen, sind induzierbare Abwehrreaktionen der Wurzel bisher kaum beschrieben. Aufgrund der konzentrischen Zellschicht-Organisation der Wurzel wird angenommen, dass bei einer Immunantwort in jeder Zellschicht ein spezifisches genetisches Programm aktiviert wird. Eine Überprüfung dieser Hypothese war bisher wegen methodischen Limitierungen nicht möglich. Die zellschichtspezifische Expression Epitop-markierter ribosomaler Proteine erlaubt eine Affinitätsaufreinigung von Ribosomen und der assoziierten mRNA. Diese Methodik, als TRAP (Translating Ribosome Affinity Purification) bezeichnet, ermöglicht die Analyse des Translatoms und wurde dahingehend optimiert, pflanzliche Antworten auf Befall durch bodenbürtige Mikroorganismen in Rhizodermis, Cortex, Endodermis sowie Zentralzylinder spezifisch zu lokalisieren. Die Genexpression in der Arabidopsis-Wurzel nach Inokulation mit drei Bodenorganismen mit unterschiedlichen Lebensweisen wurde vergleichend betrachtet: Piriformospora indica kann als mutualistischer Pilz pflanzliches Wachstum und Erträge positiv beeinflussen, wohingegen der vaskuläre Pilz Verticillium longisporum für erhebliche Verluste im Rapsanbau verantwortlich ist und der hemibiotrophe Oomycet Phytophthora parasitica ein breites Spektrum an Kulturpflanzen befällt und Ernten zerstört. Für die Interaktionsstudien zwischen Arabidopsis und den Mikroorganismen während ihrer biotrophen Lebensphase wurden sterile in vitro-Infektionssysteme etabliert und mittels TRAP und anschließender RNA-Sequenzierung eine zellschichtspezifische, genomweite Translatomanalyse durchgeführt (Inf-TRAP-Seq). Dabei zeigten sich massive Unterschiede in der differentiellen Genexpression zwischen den Zellschichten, was die Hypothese der zellschichtspezifischen Antworten unterstützt. Die Antworten nach Inokulation mit pathogenen bzw. mutualistischen Mikroorganismen unterschieden sich ebenfalls deutlich, was durch die ungleichen Lebensweisen begründbar ist. Durch die Inf-TRAP-Seq Methodik konnte z.B. im Zentralzylinder der Pathogen-infizierten Wurzeln eine expressionelle Repression von positiven Regulatoren des Zellzyklus nachgewiesen werden, dagegen in den mit P. indica besiedelten Wurzeln nicht. Dies korrelierte mit einer Pathogen-induzierten Inhibition des Wurzelwachstums, welche nicht nach Inokulation mit P. indica zu beobachten war. Obwohl keines der drei Mikroorganismen in der Lage ist, den Zentralzylinder direkt zu penetrieren, konnte hier eine differentielle Genexpression detektiert werden. Demzufolge ist ein Signalaustausch zu postulieren, über den äußere und innere Zellschichten miteinander kommunizieren. In der Endodermis konnten Genexpressionsmuster identifiziert werden, die zu einer Verstärkung der Barriere-Funktionen dieser Zellschicht führen. So könnte etwa durch Lignifizierungsprozesse die Ausbreitung der Mikroorganismen begrenzt werden. Alle drei Mikroorganismen lösten besonders im Cortex die Induktion von Genen für die Biosynthese Trp-abhängiger, antimikrobieller Sekundärmetaboliten aus. Die biologische Relevanz dieser Verteilungen kann nun geklärt werden. Zusammenfassend konnten in dieser Dissertation erstmals die durch Mikroorganismen hervorgerufenen zellschichtspezifischen Antworten der pflanzlichen Wurzel aufgelöst werden. Vergleichende bioinformatische Analyse dieses umfangreichen Datensatzes ermöglicht nun, gezielt testbare Hypothesen zu generieren. Ein Verständnis der zellschichtspezifischen Abwehrmaßnahmen der Wurzel ist essentiell für die Entwicklung neuer Strategien zur Ertragssteigerung und zum Schutz von Nutzpflanzen gegen Pathogene in der Landwirtschaft. / Although plant roots are surrounded by a plethora of microorganisms, their interactions are poorly characterized on a molecular level. Due to the concentric organization of the root cell-layers, it is anticipated that these layers contribute to pathogen defense by providing specific genetically defined programs, which build up barriers to restrict infection. Because of methodical limitations, this theory was not confirmed, yet. Immunoprecipitation of cell-layer specific expressed epitope-tagged ribosomes allows an isolation of ribosome/mRNA complexes that subsequently can be analyzed. This approach is called “Translating Ribosome Affinity Purification” (TRAP). It was optimized to identify cell-layer specific induced defenses and to be combined with a system to inoculate plant roots directly with soil-born microorganisms. Hence, this method enables molecular dissection of infected Arabidopsis-roots to unravel expression patterns found in rhizodermis, cortex, endodermis and central cylinder, respectively. Comparative studies were performed with three species of microorganisms having different life-styles: On the one hand the beneficial fungus Piriformospora indica, that can promote plant growth and crop yield and on the other hand two pathogens with the vascular fungus Verticillium longisporum, causing damage in oilseed rape production and the hemibiotrophic Oomycet Phytophthora parasitica, which causes plant damage on many crop plants. After performing TRAP with infected roots, the cell-type specific mRNA was analyzed via RNA-Sequencing resulting in a genome-wide impression of differentially expressed genes (Inf-TRAP-Seq). Massive differences occurred among the cell-layers approving the theory of cell-type specific immune responses. Moreover the defense responses varied according to inoculation with pathogenic or beneficial microorganisms probably due to their life-style. For example by using the newly established Inf-TRAP-Seq approach it was shown that positive regulators of cell proliferation were expressionally repressed in central cylinder of pathogen-infected roots but not in P. indica colonized roots. This correlates with the observation that root growth is suppressed after inoculation with pathogens but not after inoculation with P. indica. Although none of the three microorganisms is able to penetrate the central cylinder, differentially expressed genes were detected in this layer suggesting an exchange of signals to enable communication between inner and outer layers. Expression patterns were identified in the endodermis, that could lead to reinforcement of barrier functions of this cell-layer for example by lignification-processes. By this means the propagation of the microorganisms is restricted. All three microorganisms elicited induction of genes involved in biosynthesis of Trp-derived secondary metabolites, especially in the cortex. Now the biological relevance of these distributions can be investigated additionally. Hence, within this thesis for the first time a cell-type specific resolution was obtained regarding defense responses in the Arabidopsis-root triggered by microorganisms. A huge dataset was generated. This can be analyzed extensively by bioinformatics and its applications to set up new hypotheses, which can be tested by further approaches. An understanding of cell-type defined root defense responses is essential to facilitate new strategies for protecting crop plants against pathogens and to increase crop yield in agriculture.

Kaliumionen (K⁺) sind die am häufigsten vorkommenden anorganischen Kationen in Pflanzen. Gemessen am Trockengewicht kann ihr Anteil bis zu 10% ausmachen. Kaliumionen übernehmen wichtige Funktionen in verschiedenen Prozessen in der Pflanze. So sind sie z.B. essentiell für das Wachstum und für den Stoffwechsel. Viele wichtige Enzyme arbeiten optimal bei einer K⁺ Konzentration im Bereich von 100 mM. Aus diesem Grund halten Pflanzenzellen in ihren Kompartimenten, die am Stoffwechsel beteiligt sind, eine kontrollierte Kaliumkonzentration von etwa 100 mM aufrecht.<br><br> Die Aufnahme von Kaliumionen aus dem Erdreich und deren Transport innerhalb der Pflanze und innerhalb einer Pflanzenzelle wird durch verschiedene Kaliumtransportproteine ermöglicht. Die Aufrechterhaltung einer stabilen K⁺ Konzentration ist jedoch nur möglich, wenn die Aktivität dieser Transportproteine einer strikten Kontrolle unterliegt. Die Prozesse, die die Transportproteine regulieren, sind bis heute nur ansatzweise verstanden. Detailliertere Kenntnisse auf diesem Gebiet sind aber von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Integration der Transportproteine in das komplexe System des pflanzlichen Organismus. <br><br> In dieser Habilitationsschrift werden eigene Publikationen zusammenfassend dargestellt, in denen die Untersuchungen verschiedener Regulationsmechanismen pflanzlicher Kaliumkanäle beschrieben werden. Diese Untersuchungen umfassen ein Spektrum aus verschiedenen proteinbiochemischen, biophysikalischen und pflanzenphysiologischen Analysen. Um die Regulationsmechanismen grundlegend zu verstehen, werden zum einen ihre strukturellen und molekularen Besonderheiten untersucht. Zum anderen werden die biophysikalischen und reaktionskinetischen Zusammenhänge der Regulationsmechanismen analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine neue, detailliertere Interpretation der physiologischen Rolle der Kaliumtransportproteine in der Pflanze. / Potassium ions (K⁺) are the most abundant anorganic cations in plants. They can constitute up to 10% of the plant dry weight. Potassium ions play important roles in different processes in the plant. For example, they are essential for growth and for metabolism. Many important enzymes work optimally at a K⁺ concentration within the range of about 100 mM. Therefore, plant cells maintain a controlled potassium concentration of approximately 100 mM in their compartments, which are involved in metabolism. <br><br> The uptake of potassium ions from the soil and their transport within the plant and within a plant cell is accomplished by different potassium transporter proteins. However, the maintenance of a stable K⁺ concentration is only possible if the activity of these transporter proteins is subject to strict control. Up today the processes regulating the transporter proteins are only rudimentarily understood. More detailed knowledge in this area is, however, of central importance for the understanding of the integration of the transporter proteins into the complex system of the plant organism. <br><br> This Habilitation-thesis summarizes own publications, in which the investigations of different regulation mechanisms of plant potassium channels are described. These investigations cover a spectrum of different protein-biochemical, biophysical and plant-physiological analyses. In order to understand the regulation mechanisms, on the one hand their structural and molecular characteristics are examined. On the other hand the biophysical and reaction-kinetic properties of the regulation mechanisms are analyzed. The obtained insights allow a new, more detailed view on the physiological role of potassium transporter proteins in the plant.