Even though the structure of the plant cell wall is by and large quite well characterized, its synthesis and regulation remains largely obscure. However, it is accepted that the building blocks of the polysaccharidic part of the plant cell wall are nucleotide sugars. Thus to gain more insight into the cell wall biosynthesis, in the first part of this thesis, plant genes possibly involved in the nucleotide sugar interconversion pathway were identified using a bioinformatics approach and characterized in plants, mainly in Arabidopsis. For the computational identification profile hidden markov models were extracted from the Pfam and TIGR databases. Mainly with these, plant genes were identified facilitating the “hmmer” program. Several gene families were identified and three were further characterized, the UDP-rhamnose synthase (RHM), UDP-glucuronic acid epimerase (GAE) and the myo-inositol oxygenase (MIOX) families. For the three-membered RHM family relative ubiquitous expression was shown using variuos methods. For one of these genes, RHM2, T-DNA lines could be obtained. Moreover, the transcription of the whole family was downregulated facilitating an RNAi approach. In both cases a alteration of cell wall typic polysaccharides and developmental changes could be shown. In the case of the rhm2 mutant these were restricted to the seed or the seed mucilage, whereas the RNAi plants showed profound changes in the whole plant. In the case of the six-membered GAE family, the gene expressed to the highest level (GAE6) was cloned, expressed heterologously and its function was characterized. Thus, it could be shown that GAE6 encodes for an enzyme responsible for the conversion of UDP-glucuronic acid to UDP-galacturonic acid. However, a change in transcript level of variuos GAE family members achieved by T-DNA insertions (gae2, gae5, gae6), overexpression (GAE6) or an RNAi approach, targeting the whole family, did not reveal any robust changes in the cell wall. Contrary to the other two families the MIOX gene family had to be identified using a BLAST based approach due to the lack of enough suitable candidate genes for building a hidden markov model. An initial bioinformatic characterization was performed which will lead to further insights into this pathway. In total it was possible to identify the two gene families which are involved in the synthesis of the two pectin backbone sugars galacturonic acid and rhamnose. Moreover with the identification of the MIOX genes a genefamily, important for the supply of nucleotide sugar precursors was identified. In a second part of this thesis publicly available microarray datasets were analyzed with respect to co-responsive behavior of transcripts on a global basis using nearly 10,000 genes. The data has been made available to the community in form of a database providing additional statistical and visualization tools (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de). Using the framework of the database to identify nucleotide sugar converting genes indicated that co-response might be used for identification of novel genes involved in cell wall synthesis based on already known genes. / Obwohl der Aufbau der pflanzlichen Zellwand im Großen und Ganzen relativ gut charakterisiert ist, ist relativ wenig über ihre Synthese bekannt. Allgemein akzeptiert ist jedoch, dass die Nukleotidzucker die Vorstufe für den polysaccharidären Teil der Zellwand stellen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Kandidatengene für die Zellwandbiosynthese mittels bioinformatorischer Analysen ermittelt und deren Rolle in Pflanzen, hauptsächlich Arabidopsis thaliana untersucht. Zur Identifizierung von Arabidopsis thaliana Kandidatengenen des Nukleotidzucker-Stoffwechselweges wurden „hidden Markov Modelle“ für Gene desselben aus den Datenbanken Pfam und TIGR extrahiert. Unter anderem wurden diese dann unter Zuhilfenahme des Programms hmmer zur Identifikation von pflanzlichen Genen benutzt. Es wurden einige Genfamilien identifiziert und drei von diesen wurden weiter charakterisiert. Hierbei handelte sich um eine UDP-Rhamnose Synthase Familie (RHM), eine UDP-Glucuronsäurepimerase Familie (GAE) und eine myo-Inositol Oxygenase Familie (MIOX). Für die RHM Kandidatengenfamilie, mit drei Mitgliedern, wurde die relativ ubiquitäre Expression aller Gene mittels verschiedener Methoden gezeigt und für eines der Gene, RHM2, konnten T-DNA Linien bezogen werden. Außerdem wurde die Transkription der gesamten Familie mittels eines RNAi Konstruktes herunter geregelt. In beiden Fällen konnte eine Veränderung von zellwandtypischen Polysacchariden sowie schwere Entwicklungsstörungen gezeigt werden. Diese waren bei der rhm2 Funktionsverlustpflanze auf den Samenschleim bzw. den Samen reduziert, bei den RNAi Pflanzen hingegen war die gesamte Pflanze betroffen. Im Falle der zweiten Kandidatengenfamilie, GAE, wurde das höchst-exprimierte Gen (GAE6) kloniert, heterolog exprimiert und die Funktion charakterisiert. So konnte gezeigt werden, dass GAE6 für ein Enzym kodiert, welches UDP-Glukuronsäure in UDP-Galakturonsäure wandelt. Allerdings zeigten Pflanzen mit veränderter Transkriptmenge, erreicht durch T-DNA Insertionen (gae2, gae5, gae6), Überexpression (GAE6) oder RNAi / keine robuste Veränderung der Zellwand. Die letzte betrachtete Kandiatengenfamilie myo-Inositol Oxygenase wurde im Gegensatz zu den beiden anderen Familien, durch eine BLAST Suche gefunden, da zur Zeit der Durchführung noch zu wenig myo-inositol Oxygenasen bekannt waren, um daraus „hidden Markov Modelle“ abzuleiten. Dennoch konnten erste bioinformatorische Analysen zu dieser Genfamilie gemacht werden. Insgesamt gesehen wurden in diesem Teil der Arbeit die beiden Genfamilien identifiziert und charkterisiert, die bei der Synthese der beiden Pektinrückgradzucker Rhamnose und Galakturonsäure die tragende Rolle spielen. Weiterhin wurde mit der Identifizierung der MIOX Genfamilie, eine Genfamilie identifiziert, die wichtige Vorstufen in der Synthese der Nukleotidzucker liefert. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden öffentlich zugängliche Mikroarray-Daten durch ihr Gleich -oder Ungleichverhalten charakterisiert. Dieses erfolgte auf globaler Ebene für zunächst fast 10.000 Gene. Die Daten wurden in Form einer allgemein zugänglichen Datenbank der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de). Eine Anwendung der Methode auf Gene des Nukleotidzuckerstoffwechsels, deutet darauf hin, dass so neue Kandiatengene, die bei der Zellwandsynthese eine Rolle spielen, von bereits bekannten Genen abgeleitet werden können.

Pectic polysaccharides, a class of plant cell wall polymers, form one of the most complex networks known in nature. Despite their complex structure and their importance in plant biology, little is known about the molecular mechanism of their biosynthesis, modification, and turnover, particularly their structure-function relationship. One way to gain insight into pectin metabolism is the identification of mutants with an altered pectin structure. Those were obtained by a recently developed pectinase-based genetic screen. Arabidopsis thaliana seedlings grown in liquid medium containing pectinase solutions exhibited particular phenotypes: they were dwarfed and slightly chlorotic. However, when genetically different A. thaliana seed populations (random T-DNA insertional populations as well as EMS-mutagenized populations and natural variations) were subjected to this treatment, individuals were identified that exhibit a different visible phenotype compared to wild type or other ecotypes and may thus contain a different pectin structure (pec-mutants). After confirming that the altered phenotype occurs only when the pectinase is present, the EMS mutants were subjected to a detailed cell wall analysis with particular emphasis on pectins. This suite of mutants identified in this study is a valuable resource for further analysis on how the pectin network is regulated, synthesized and modified. Flanking sequences of some of the T-DNA lines have pointed toward several interesting genes, one of which is PEC100. This gene encodes a putative sugar transporter gene, which, based on our data, is implicated in rhamnogalacturonan-I synthesis. The subcellular localization of PEC100 was studied by GFP fusion and this protein was found to be localized to the Golgi apparatus, the organelle where pectin biosynthesis occurs. Arabidopsis ecotype C24 was identified as a susceptible one when grown with pectinases in liquid culture and had a different oligogalacturonide mass profile when compared to ecotype Col-0. Pectic oligosaccharides have been postulated to be signal molecules involved in plant pathogen defense mechanisms. Indeed, C24 showed elevated accumulation of reactive oxygen species upon pectinase elicitation and had altered response to the pathogen Alternaria brassicicola in comparison to Col-0. Using a recombinant inbred line population three major QTLs were identified to be responsible for the susceptibility of C24 to pectinases. In a reverse genetic approach members of the qua2 (putative pectin methyltransferase) family were tested for potential target genes that affect pectin methyl-esterification. The list of these genes was determined by in silico study of the pattern of expression and co-expression of all 34 members of this family resulting in 6 candidate genes. For only for one of the 6 analyzed genes a difference in the oligogalacturonide mass profile was observed in the corresponding knock-out lines, confirming the hypothesis that the methyl-esterification pattern of pectin is fine tuned by members of this gene family. This study of pectic polysaccharides through forward and reverse genetic screens gave new insight into how pectin structure is regulated and modified, and how these modifications could influence pectin mediated signalling and pathogenicity. / Pektin Polysaccharide, eine Klasse pflanzlicher Zellwand Polymere, formen eine der komplexesten natürlichen Strukturen. Trotz seiner immensen Bedeutung in der Biologie der Pflanzen sind die Kenntisse über die molekularen Mechanismen der Pektin Biosynthese, dessen Modifikation und Abbau überraschend gering. Eine Möglichkeit neue Einblicke in den pflanzlichen Pektin Metabolismus zu erhalten, ist die Identifizierung von Mutanten mit veränderter Pektinstruktur. Solche Mutanten konnten durch ein neuatiges Selektionsverfahren gefunden werden. Zieht man Keimlinge der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) in Flüssigmedium mit Pektinase an, so lässt sich ein typischer Phänotyp beobachten: Die Pflanzen sind kleinwüchsig und leicht chlorotisch. Diesem Verfahren wurden Populationen verschiedener Genotypen (Insertions Linien, EMS Mutanten, natürlich vorkommende Varianten) ausgesetzt. Auf diese Weise wurden Individuen identifiziert, die gegenüber der Pektinase Behandlung eine verminderte oder erhöhte Resistenz aufweisen, was auf eine veränderte Pektinstruktur hindeutet. Die EMS Mutanten wurden einer detaillierten Zellwand Analyse unterzogen. die so in dieser Arbeit identifizierte Kollektion von Mutanten stellt eine wertvolle Ressource für weitere Forschungsansätze zur Regulation, Biosynthese und Modifikation des Pektins dar. Die Lokalisation der Insertionen in den T-DNA Linien führte zur Identifikation interessanter Gene, zu denen der putative Zuckertransporter PEC100 gehört. Dieses Gen steht vermutlich in Verbindung mit der Synthese von Rhamnogalakturonan-I, einem Bestandteil des Pektins. In dieser Arbeit konnte PEC100 im Golgi Apparat, dem Ort der Pektin Biosynthese, lokalisiert werden. Die natürlich vorkommende Variante C24 ist besonders empfindlich gegenüber der Pektinase. Diese Empfindlichkeit konnte anhand rekombinanter Inzucht Linien auf drei bedeutende quantitative Merkmalsloci (QTL) eingegrenzt werden. C24 zeigte zudem ein gegenüber der Referenz verändertes Massenprofil der Oligogalakturonide. Diese werden derzeit als Signalmoleküle in der pflanzlichen Pathogenabwehr diskutiert, was mit der in dieser Arbeit geseigten Resistenz von C24 gegenüber Schwarzfleckigkeit verursachende Pilz (Alternaria brassicicola) korreliert. In einem revers-genetischen Ansatz wurden zudem Mitglieder der Pektin Methyltransferase Familie als potentielle Enzyme getestet, die die Pektin Methylesterifikation beeinflussen könnten. Diese Mutation in einer dieser Methyltransferasen führte zu Veränderungen des Oligogalakturonid Massenprofils. Dies bestätigt die Hypothese, dass Mitglieder dieser Genfamilie an der Regulation der Methylesterifikation von Pektin beteiligt sind. Die vorliegende Studie, in der ein genetishen Selektionverfahren und Methoden der reversen Genetik kombiniert wurden, hat neue Einblicke in die Regulation und Modifikation von Pektin geliefert.

Die Anatomie des Holzes stellt eine entscheidende Einflussgröße bei einer Vielzahl holztechnologischer Prozesse dar. Der folgende Beitrag behandelt den Bau der verholzten Zellwand am Beispiel der Tracheiden des Nadelholzes.

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Die Forschung an der Hefe Saccharomyces cerevisiae – auch als Bäckerhefe bekannt – hat sich für die biologische Grundlagenforschung als unentbehrlich erwiesen und führte zu wichtigen Erkenntnissen in der Erforschung von Krankheiten wie Krebs. Am Beispiel der Paarung von Hefezellen werden in dieser Arbeit wesentliche Aspekte der eukaryotischen Zellbiologie untersucht. In der Haplophase des Lebenszyklus der Hefe, treten haploide Zellen als Paarungstyp MATa oder MATα auf. Diese Paarungstypen kommunizieren über Pheromone, die in ein extrazelluläres Medium abgesondert werden und von Zelloberflächenrezeptoren des komplementären Paarungstyps erkannt werden. Hefezellen wachsen in die Richtung eines möglichen Paarungspartners, da sie sich nicht aktiv bewegen können. Die Auswertung von empirischen Daten aus der Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit mathematischen Modellen ermöglichte die Rekonstruktion wesentlicher Prozesse der Hefepaarung: (i) Interzelluläre Kommunikation über die Sezernierung und Rezeption von Pheromonen, (ii) Aufbau der Zellpolarität als Reaktion auf die Pheromonantwort, (iii) Induktion und Mechanik der Zellformänderung. Folgende Modelle wurden dazu entwickelt: (i) Die interzelluläre Kommunikation wurde unter Verwendung von zellulären Automaten mit Hilfe von Reaktions-Diffusions (RD) Gleichungen modelliert. Das Modell zeigte, dass die gegenseitige Stimulierung und erhöhte Pheromonabsonderung zu einer verbesserten Abstimmung in der Paarung in der Zellpopulation führt. (ii) Ein Turing- und ein Phasenseparations- Mechanismus wurden als Modelle zum Aufbau der Zellpolarität verwendet. Volumen-Oberflächen gekoppelte RD Gleichungen wurden analytisch und numerisch mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. (iii) Die Zellwandveränderung wurde mit klassischer Kontinuumsmechanik und der FEM Methode modelliert. Dies ermöglichte eine Beschreibung der reversiblen elastischen und der irreversiblen plastischen Verformungen der Zellwand. / Research on the yeast Saccharomyces cerevisiae – also known as baker’s yeast – has been essential not only for fostering basic biological knowledge but even more so for contributing towards understanding diseases such as cancer. In this thesis, general biological phenomena occurring in eukaryotic cells are investigated, exemplified by the mating process of yeast. In the haploid phase of their life cycle, yeast cells occur as mating type MATa or MATα, both of which communicate via pheromones that are secreted in an extracellular medium and can be sensed by cell-surface receptors of the complementary mating type. In order to mate, yeast cells grow towards a potential mating partner, since they are not able to actively move. Mathematical models on the basis of fluorescence and atomic force microscopy (AFM) data were developed. The key aspects of the yeast mating process that I examined were (i) intercellular communication of cells via pheromones, (ii) the initial symmetry break and implementation of cell polarity, and (iii) subsequent morphogenetic changes. The methods used and findings were as follows: (i) Pheromone secretion and sensing motifs were modelled using cellular automata models based on reaction-diffusion (RD) equations. My models show that mutual stimulation and increased pheromone secretion between cells improves mating efficiency in cell populations. (ii) To explain yeast mating decisions, two possible model types for cell polarity were tested: a Turing-type and a phase-separation mechanism. Bulk-surface RD equations were investigated analytically and numerically using the finite element method (FEM). Typical cell shapes were reconstructed in 2D and 3D. (iii) The cell wall was modelled using classical continuum mechanics that allows for reversible elastic and irreversible plastic cell wall deformation. Mathematical modelling demonstrated that all three processes investigated are precisely orchestrated and interlocked during yeast mating.