For the first time the transcriptional reprogramming of distinct root cortex cells during the arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis was investigated by combining Laser Capture Mirodissection and Affymetrix GeneChip® Medicago genome array hybridization. The establishment of cryosections facilitated the isolation of high quality RNA in sufficient amounts from three different cortical cell types. The transcript profiles of arbuscule-containing cells (arb cells), non-arbuscule-containing cells (nac cells) of Rhizophagus irregularis inoculated Medicago truncatula roots and cortex cells of non-inoculated roots (cor) were successfully explored. The data gave new insights in the symbiosis-related cellular reorganization processes and indicated that already nac cells seem to be prepared for the upcoming fungal colonization. The mycorrhizal- and phosphate-dependent transcription of a GRAS TF family member (MtGras8) was detected in arb cells and mycorrhizal roots. MtGRAS shares a high sequence similarity to a GRAS TF suggested to be involved in the fungal colonization processes (MtRAM1). The function of MtGras8 was unraveled upon RNA interference- (RNAi-) mediated gene silencing. An AM symbiosis-dependent expression of a RNAi construct (MtPt4pro::gras8-RNAi) revealed a successful gene silencing of MtGras8 leading to a reduced arbuscule abundance and a higher proportion of deformed arbuscules in root with reduced transcript levels. Accordingly, MtGras8 might control the arbuscule development and life-time. The targeting of MtGras8 by the phosphate-dependent regulated miRNA5204* was discovered previously (Devers et al., 2011). Since miRNA5204* is known to be affected by phosphate, the posttranscriptional regulation might represent a link between phosphate signaling and arbuscule development. In this work, the posttranscriptional regulation was confirmed by mis-expression of miRNA5204* in M. truncatula roots. The miRNA-mediated gene silencing affects the MtGras8 transcript abundance only in the first two weeks of the AM symbiosis and the mis-expression lines seem to mimic the phenotype of MtGras8-RNAi lines. Additionally, MtGRAS8 seems to form heterodimers with NSP2 and RAM1, which are known to be key regulators of the fungal colonization process (Hirsch et al., 2009; Gobbato et al., 2012). These data indicate that MtGras8 and miRNA5204* are linked to the sym pathway and regulate the arbuscule development in phosphate-dependent manner. / Die Leguminose Medicago truncatula (gehört zur Gattung des Schneckenklees) ist in der Lage sowohl eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien (Rhizobien), als auch mit Mykorrhiza-Pilzen einzugehen. Der Mykorrhiza-Pilz Rhizophagus irregularis dringt in die Wurzelrindenzellen ein und bildet Strukturen aus, die als Arbuskeln bezeichnet werden. Diese ermöglichen den Transfer von Nährstoffen, wie Phosphat in die Wurzelzellen. Die Pflanze liefert hingegen bis zu 20 % ihrer Photosyntheseprodukte an den Pilz. Da die Lebenszeit der Arbuskeln nur wenige Tage beträgt, können Wurzelrindenzellen mehrere Arbuskeln nacheinander beherbergen. Somit können neben arbuskelhaltigen, auch nicht-arbuskelhaltige Zellen in kolonisierten Wurzeln auftreten. Die nicht-arbuskelhaltigen Zellen beeinträchtigen die Sensitivität von Genregulationsanalysen, wenn die Genregulation während der Mykorrhiza-Symbiose anhand von ganzen kolonisierten Wurzeln untersucht wird. In dieser Arbeit konnte eine Zelltyp-spezifische Analyse der Genregulation von arbuskelhaltigen und nicht-arbuskelhaltigen Zellen durchgeführt, und eine Erhöhung der Sensitivität erreicht werden. Mittels Laser Capture Microdissection wurden Zellen aus Gefrierschnitten von Wurzeln isoliert. Aus den so gewonnen Zellen konnte RNA von ausreichender Qualität und Quantität extrahiert werden, um das Transkriptom der beiden Zelltypen mittels Mikroarrayhybridisierung zu untersuchen. Transkriptionsfaktoren (TFs) spielen wahrscheinlich eine Schlüsselrolle in der Umprogrammierung von Wurzelzellen während der Mykorrhiza-Symbiose. Daher wurde die Genregulation von TF-Genen in den zwei Zelltypen gezielt untersucht. Anhand von quantitativer RT-PCR und Promoter-Reporter-Fusionen wurde die differentielle Expression von mehreren TF-Transkripten in den verschiedenen Zelltypen bestätigt. Die Charakterisierung eines potentiellen GRAS TF (MtGRAS8) konnte eine stark Symbiose- und Phosphat-abhängige Induktion von Transkripten bestätigt werden. Mutanten mit verringerter MtGras8 Transkriptmenge wiesen eine verringerte Arbuskelzahl und deformierte Arbuskeln auf. MtGras8 scheint daher an der Arbuskelentwicklung beteiligt zu sein. Vorherige Experimente zeigten, dass MtGras8 Transkripte, von der Phosphat-regulierten MikroRNA5204* geschnitten werden (Devers et al., 2011). Dies konnte durch Überexpression der MikroRNA5204* in vivo bestätigt werden. Weiterhin konnten Protein-Protein-Interaktionen von MtGras8 mit bekannten GRAS TFs (NSP1, NSP2, RAM1) nachgewiesen und daraus eine Verbindung zu bekannten Symbiose-induzierten Signalkaskaden geschlossen werden. In dieser Arbeit wurde erstmals die Umprogrammierung von nicht-arbuskelhaltigen Zellen untersucht und neue Regulationselemente für die Kontrolle der Arbuskelentwicklung, wie MtGRAS8 und MikroRNA5204*, charakterisiert.

Die Grundlage der Entwicklung multizellulärer Lebewesen bildet die Herausbildung stabiler Zelllinien aus einer einzelnen Zygote. Die Expression spezifischer Kombinationen von Transkriptionsfaktoren ist von zentraler Bedeutung für diesen Prozess. Des Weiteren sind epigenetische Veränderungen des Genoms von Bedeutung, über deren Verhältnis zu Änderungen der Zell-Identitäten weniger bekannt ist. In dieser Arbeit nutze ich Daten aus scATAC-seq und scRNA-seq (mit metabolischer Markierung; scSLAM-seq) um die regulierenden Elemente im Seeigel zu charakterisieren – vom 4-Zell-Stadium, über die Aktivierung des zygotischen Genoms, bis hin zu den Strukturen der frühen Pluteus-Larve. Die Schicksale der einzelnen Zellen des Seeigels sind gut erforscht und ab der vierten Zellteilung etabliert (auch wenn einzelne Veränderungen bis zum 128-Zell Stadium induziert werden können), wonach die Keimblätter fest verankert sind. Plastizität innerhalb der Keimblätter ist mindestens bis zum Ende der Gastrulation möglich. Mithilfe dieser Daten, sowie den bekannten Ergebnissen der Erforschung der Zellschicksale vergangener Jahrzehnte, ist eine Diversifizierung von Zelltypen ersichtlich, die beim 128-Zell-Stadium mit der großen Welle der zygotischen Genomaktivierung (ZGA), einer Veränderung des Chromatinzustandes und dem Verlust der Entwicklungsplastizität einhergeht. Ein kleiner Teil von Genen, im Allgemeinen zelltypspezifische Transkriptionsfaktoren, wird schon vor der großen Welle der ZGA exprimiert, während sich gut offene Chromatinstrukturen auf wenige, distinkte regulatorische Sequenzen beschränken. Von diesem Zeitpunkt an, wird die Genexpression zelltypspezifisch, auch wenn viele Chromatinelemente weiterhin zelltypübergreifend offen sind. Insgesamt sind die Chromatinelemente recht kompakt und Elemente innerhalb der Gene häufig. Danach porträtiere ich noch die regulatorischen Veränderungen die mit der neuralen Entwicklung, sowie der Diversität von skelettbildenden Zellen im Seeigel einhergehen. Zuletzt identifiziere ich ~ 100 Gene, die in die Kalzifizierung des Skelettes des Seeigels involviert sind. / The emergence of multiple, stable cell lineages from a single-cell zygote is the essence of multicellular development. Combinatorial transcription factor expression is central to this process, as well as epigenetic changes whose relationship to changes in cell-identity are far less well understood. In this thesis, I use data from scATAC-seq and scRNA-seq (with metabolic labeling; scSLAM-seq) to characterize the regulatory landscapes of sea urchin development spanning from the 4-cell embryo through maternal zygotic transition (MZT), gastrulation, and the early pluteus larvae with its ecologically relevant structures (~72h). The early fate-map in sea urchins is well understood, providing an ideal model for this analysis; the basic fate-map is established by the fourth cleavage (though inducible lineage changes are possible up to the 128-cell stage) after which germ-layer identity is locked, though there remains considerable plasticity within lineages at least through gastrulation. Using these data, along-side classic research into cell fate maps in the early embryo, I find that cell-type diversification and a loss of plasticity at 128-cell stage corresponds to a major wave of zygotic genome activation (ZGA) and a clear resolution of the chromatin landscape in the sea urchin. However, a subset of genes, often cell-type-specific transcription factors, shows evidence of pre-MZT zygotic expression with early chromatin accessibility limited to few sites with distinct regulatory sequences. From this time, gene expression profiles become highly cell-type-specific, though many regulatory elements remain ubiquitously accessible, suggesting differential transcription factor occupancy at broadly accessible sites. Overall, the regulatory landscape is fairly compact with accessible intragenic elements being frequent. Subsequently, I profile the regulatory changes underlying neurodevelopment and the diversity of skeletogenic cells in the sea urchin. Finally, I also identify ~ 100 genes that are associated with calcification of the sea urchin skeleton.