Concerns about climate changes and scarcity of fossil fuels are rising. Hence wood is becoming an attractive source of renewable energy and raw material and these new dimensions have prompted increasing interest in wood formation in trees, in both the scientific community and wider public. In this thesis, the focus is on a key process in wood development: programmed cell death (PCD) in the development of xylem elements. Since secondary cell wall formation is dependent, inter alia, upon the life time of xylem elements, the qualitative features of wood will be affected by PCD in xylem, about which there is little information. This thesis focuses on the anatomical, morphological and transcriptional features of PCD during xylem development in both the stem of hybrid aspen, Populus tremula (L.) x tremuloides (Michx.) and the hypocotyl of the herbaceous model system Arabidopsis thaliana (L. Heynh.). In Populus, the progressive removal of organelles from the cytoplasm before the time of death (vacuolar bursts) and the slowness of the cell death process, illustrated by DNA fragmentation assays (such as TUNEL and Comet assays), have been ascertained in the xylem fibres by microscopic analyses. Furthermore, candidate genes for the regulation of fibre cell death were identified either from a Populus EST library obtained from woody tissues undergoing fibre cell death or from microarray experiments in Populus stem, and further assessed in an in silico comparative transcriptomic analysis of Arabidopsis thaliana. These candidate genes were either putative novel regulators of fibre cell death or members of previously described families of cell death-related genes, such as autophagy-related genes. The induction of the latter and the previous microscopic observations suggest the importance of autophagy in the degradation of the cytoplasmic contents specifically in the xylem fibres. Vacuolar bursts in the vessels were the only previously described triggers of PCD in the xylem, which induce the very rapid degradation of the nuclei and surrounding cytoplasmic contents, therefore unravelling a unique previously unrecorded type of PCD in the xylem fibres, principally involving autophagy. Arabidopsis is an attractive alternative model plant for exploring some aspects of wood formation, such as the characterisation of negative regulators of PCD. Therefore, the anatomy of Arabidopsis hypocotyls was also investigated and the ACAULIS5 (ACL5) gene, encoding an enzyme involved in polyamine biosynthesis, was identified as a key regulator of xylem specification, specifically in the vessel elements, though its negative effect on the cell death process. Taken together, PCD in xylem development seems to be a highly specific process, involving unique cell death morphology and molecular machinery. In addition, the technical challenges posed by the complexity of the woody tissues examined highlighted the need for specific methods for assessing PCD and related phenomena in wood. / Oron för klimatförändringar och brist på fossila bränslen har ökat påtagligt under de senaste åren. De enorma möjligheter som skogsråvaran erbjuder som alternativ källa för förnyelsebar energi och råmaterial har väckt ett stort intresse också för den biologiska processen bakom vedbildning i träd. Denna avhandling fokuserar på en viktig process i vedbildning: programmerad celldöd (PCD) i xylemet. Xylemcellernas livstid påverkar bildningen av sekundära cellväggar, vilket i sin tur påverkar vedens kvalitativa egenskaperna, så som veddensitet. Trots dess betydelse för viktiga egenskaper hos vedråvaran existerar fortfarande väldigt lite information om xylem PCD på cellulär eller molekylär nivå. I den här avhandlingen belyses de anatomiska, morfologiska och genetiska aspekterna av PCD i xylemutveckling i både stam av hybridasp, Populus tremula (L.) x tremuloides (Michx.) och hypokotyl av det örtartade modellsystemet Arabidopsis thaliana (L. Heynh.). Xylemet i både Populus och Arabidopsis består av två olika celltyper; de vattentransporterade kärlen och de stödjande fibrerna. Det är känt att celldöd i kärlen pågår mycket snabbt efter att den centrala vakuolen brister och de hydrolytiska enzymer släpps in i cytoplasman. I den här avhandlingen ligger fokus på fibrerna i Populus xylemet. Med hjälp av mikroskopianalyser av cellmorfologin (elektronmikroskopi) och DNA-fragmentering i cellkärnan (TUNEL- och Comet-analyser) kunde vi konstatera att till skillnad från kärlen så uppvisar fibrerna en långsam och progressiv nedbrytning av organellerna och cellkärnans DNA före vakuolbristning. Dessutom har kandidatgener för reglering av fibercelldöd identifierats antingen från ett Populus EST bibliotek från vedartade vävnader som genomgår fibercelldöd eller från mikroarray experiment i Populus stam. Dessa kandidatgener är antingen potentiella nya regulatorer av fibercelldöd eller medlemmar av tidigare beskrivna familjer av celldödsrelaterade gener. Bland de sistnämnda finns autofagi-relaterade gener, vilket stöder funktionen av autofagi i samband med autolys av cellinnehållet i xylemfibrerna. Dessa studier pekar därför på en typ av PCD som har inte tidigare beskrivits för xylemet. Arabidopsis är ett alternativt växtmodellsystem för studier av vissa aspekter av vedbildningen, såsom karakteriseringen av negativa regulatorer av PCD. Därför har också hypokotylanatomin analyserats, och ACAULIS5 (ACL5) genen, som kodar för ett enzym i biosyntesen av polyaminer, har visats vara en viktig regulator av xylemspecifikation genom dess negativa effekt på kärlens celldöd. Sammantaget visar denna avhandling att PCD i xylemutvecklingen verkar involvera unika morfologiska och molekylära mekanismer. Vi visar dessutom att komplexiteten hos de vedartade vävnaderna leder till ett behov av bättre anpassade verktyg för att djupare kunna bedöma PCD och liknande fenomen i veden. / Även med namnet Moreau-Courtois, Charleen L. samt Moreau, Charleen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:umu-1831 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Courtois-Moreau, Charleen, Laetitia |
| Publisher | Umeå universitet, Umeå Plant Science Centre, Plant Physiology Department - Umeå Plant Science Centre |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0047 seconds