Identification of growth-related tonoplast proteins in Arabidopsis thaliana

• Main Author: Arvidsson, Samuel Janne
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2010
• Subjects: Ackerschmalwand; Wachstum; Tonoplast; qPCR; Phänotypisierung; Arabidopsis; Growth; Phenotyping; Life sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-52408; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5240/

In a very simplified view, the plant leaf growth can be reduced to two processes, cell division and cell expansion, accompanied by expansion of their surrounding cell walls. The vacuole, as being the largest compartment of the plant cell, plays a major role in controlling the water balance of the plant. This is achieved by regulating the osmotic pressure, through import and export of solutes over the vacuolar membrane (the tonoplast) and by controlling the water channels, the aquaporins. Together with the control of cell wall relaxation, vacuolar osmotic pressure regulation is thought to play an important role in cell expansion, directly by providing cell volume and indirectly by providing ion and pH homestasis for the cytosoplasm. In this thesis the role of tonoplast protein coding genes in cell expansion in the model plant Arabidopsis thaliana is studied and genes which play a putative role in growth are identified. Since there is, to date, no clearly identified protein localization signal for the tonoplast, there is no possibility to perform genome-wide prediction of proteins localized to this compartment. Thus, a series of recent proteomic studies of the tonoplast were used to compile a list of cross-membrane tonoplast protein coding genes (117 genes), and other growth-related genes from notably the growth regulating factor (GRF) and expansin families were included (26 genes). For these genes a platform for high-throughput reverse transcription quantitative real time polymerase chain reaction (RT-qPCR) was developed by selecting specific primer pairs. To this end, a software tool (called QuantPrime, see http://www.quantprime.de) was developed that automatically designs such primers and tests their specificity in silico against whole transcriptomes and genomes, to avoid cross-hybridizations causing unspecific amplification. The RT-qPCR platform was used in an expression study in order to identify candidate growth related genes. Here, a growth-associative spatio-temporal leaf sampling strategy was used, targeting growing regions at high expansion developmental stages and comparing them to samples taken from non-expanding regions or stages of low expansion. Candidate growth related genes were identified after applying a template-based scoring analysis on the expression data, ranking the genes according to their association with leaf expansion. To analyze the functional involvement of these genes in leaf growth on a macroscopic scale, knockout mutants of the candidate growth related genes were screened for growth phenotypes. To this end, a system for non-invasive automated leaf growth phenotyping was established, based on a commercially available image capture and analysis system. A software package was developed for detailed developmental stage annotation of the images captured with the system, and an analysis pipeline was constructed for automated data pre-processing and statistical testing, including modeling and graph generation, for various growth-related phenotypes. Using this system, 24 knockout mutant lines were analyzed, and significant growth phenotypes were found for five different genes. === Sehr vereinfacht gesagt kann Blattwachstum auf zwei Prozesse reduziert werden, Zellteilung und Zellexpansion, gefolgt von Zellwandexpansion. Die Vakuole, das größte Organell der Zelle, übt durch die Kontrolle des Wasserhaushaltes der Pflanze eine wichtige Funktion im Zusammenhang mit der Zellexpansion aus. Dies geschieht durch die Regulierung des osmotischen Druckes, durch Import und Export von organischen und anorganischen Ionen über die Vakuolenmembran (den Tonoplast) und durch die Kontrolle ihrer Wasserkanäle (der Aquaporine). Es wird angenommen, dass die Regulierung des vakuolären osmotischen Druckes eine große Rolle bei der Zellexpansion spielt, da der osmotische Druck die Stärke der mechanischen Kraft des Tonoplast auf die Plasmamembran und die Zellwand bestimmt. In dieser Dissertation wird die Rolle von Tonoplastproteinen und ihrer Gene auf die Zellexpansion anhand der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) untersucht, und Kandidaten für wachstumsrelevante Gene werden identifiziert. Da bisher noch kein Signal für die Lokalisierung von Proteinen im Tonoplast identifiziert wurde, gibt es keine Möglichkeit, genomweite Voraussagen über solche Proteinlokalisierungen zu machen. Daher haben wir eine Reihe von aktuellen Proteom-Studien genutzt, um eine Liste von 117 Genen, die für transmembrane tonoplastproteinkodierende Gene kodieren, zusammenzustellen. Zusätzlich wurden andere wachstumsrelevante Gene und Zellzyklus-Gene in die Liste aufgenommen (38 Gene). Die Expression der Gene während der Blattentwicklung sollte mittels einer sensitiven Technik, der quantitativen Polymerasekettenreaktion (qPCR), untersucht werden. Um rasch die für dieses Verfahren notwendigen Oligonukleotide zu entwerfen, wurde ein Computerprogramm („QuantPrime“) entwickelt. Das Programm entwirft automatisch solche Oligonukleotide und überprüft deren Spezifizität in silico auf Ebene der Transkriptome und Genome um Kreuz-Hybridisierungen zu vermeiden, die zu unspezifischen Amplifikationen führen würden. Die qPCR-Plattform wurde in einer Expressions-Studie eingesetzt, um wachstumsrelevante Gen-Kandidaten zu identifizieren. Um wachstumsaktive und nichtaktive Prozesse vergleichen zu können, wurden Proben von unterschiedlichen Bereichen des Blattes zu unterschiedlichen Wachstumsstadien beprobt. Eine musterbasierte Expressionsdatenanalyse wurde eingesetzt, um die Gene hinischtlich ihrer Assoziation mit der Blattexpansionen in eine Rangordnung zu bringen. Die Gene mit dem höchsten Rang wurden als Kandidaten für weitere Experimente ausgewählt. Um die funktionelle Beteiligung dieser Gene auf einer makroskopischen Ebene zu untersuchen, wurden Knockout-Mutanten für die Gen-Kandidaten hinsichtlich ihres Wachstums analysiert. Zu diesem Zweck wurde ein System für die automatisierte Phänotypisierung des Blattwachstums etabliert. Zum einen wurde ein Programm-Paket für detaillierte Annotation von Wachstumsstadien und zum anderen ein Analyse-Paket für automatisierte Datenvorbereitung und statistische Tests entwickelt. Das Analyse-Paket erlaubt die Modellierung und graphische Darstellung verschiedener wachstumsrelevanter Phänotypen. Mit Hilfe dieses Systems wurden 24 Knockout-Mutanten untersucht und signifikante Phänotypen wurden für fünf verschiedene Gene gefunden.