Dissertation (Metadaten)
Titel:The Induction and Regulation of Epidermal Flavonoid Accumulation at Low Temperature in Arabidopsis thaliana
 
Autor:Karena Hoffmann-Wülfing
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-26600
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:580 Pflanzen (Botanik)
 
Datum der mdl. Prüfung:13.07.2007
 
Referent(in):Prof. Dr. W. Bilger
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. K. Schwarz
 
Beschreibung (original):The central subject of this work was to find answers to the question of how flavonoid accumulation might be induced at low temperature in Arabidopsis thaliana (A. thaliana). Specifically, the question was addressed how low temperature is sensed. Several hypotheses were investigated. A reduction of the plastoquinone pool in the photosynthetic electron transport chain by low temperature, which would also involve differential gene expression (Huner et al. 1998, Wilson & Huner 2000) was considered as a potential sensor for the induction of flavonoid biosynthesis as well as a low temperature derived signal of oxidative stress through the accumulation of reactive oxygen species (ROS) (Foyer & Noctor 2003). Two further hypotheses included a low temperature-linked calcium signal (Monroy et al. 1993, Örvar et al. 2000) and the involvement of one or more light receptors in the low temperature-induced flavonoid accumulation. In order to solve this question, comparative analysis of flavonoid accumulation at high light and supplemental UV-B radiation were also performed. The kinetics of flavonoid accumulation as well as their composition in rosette leaves of A.thaliana were comprehensively analysed. A role of ROS, the reduction state of the plastoquinone pool and the photoreceptors phototropin and cryptochrome in the induction of flavonoid accumulation at low temperature was investigated by several different experiments. In addition, the induction of flavonoid biosynthesis at low temperature, high light or UV-B radiation on the transcriptional level was analysed by microarray analysis and northern blotting. A comparative analysis of gene expression of one third of the Arabidopsis genome at the three conditions via microarray analysis was also performed in order to discover relevant signal transduction components. In experiments with A. thaliana an accumulation of six flavonols, three kaempferol- and three quercetin glycosides, could be demonstrated after treatment with low temperature, high light or UV-B radiation. Distinct differences in the pattern of accumulation after UV-B treatment were detected which involved a strong accumulation of quercetin glycosides and a rapid induction of several flavonoid biosynthetic genes. Experiments with mutants defective in photoreceptors could prove a light- and low temperature-dependent accumulation of quercetin glycosides which was regulated mainly by the blue light sensor cryptochrom 1. In contrast, most of the kaempferol accumulation at low temperature was blue light independent. This result implies that low temperature might change signal transduction processes following cryptochrome 1 perception. ROS and the reduction state of the photosynthetic electron transport chain (psETC) could be excluded as signal carriers. Results show that at least two low temperature sensing systems in A. thaliana might exist: One, that seems to interact with cryptochrome and seems to control the enzyme flavonol-3’-hydroxylase, and an independent second, which apparently controls kaempferol biosynthesis.
 
(übersetzt):Die Beantwortung der Frage, wie unter Kühle die Flavonoidbiosynthese in Arabidopsis thaliana induziert wird, war zentrale Aufgabe dieser Arbeit. Insbesondere wurde die Frage adressiert, wie Kühle wahrgenommen wird. Verschiedene Hypothesen wurden bearbeitet. Eine Reduktion des Plastochinon-Pools in der photosynthetischen Elektronentransportkette durch geringe Temperaturen und eine damit verbundene differentielle Genexpression (Huner et al. 1998, Wilson und Huner 2000) wurde als möglicher Sensor für eine Induktion der Flavonoidbiosynthese ebenso betrachtet, wie ein durch Kühle hervorgerufenes Signal von oxidativem Stress durch die Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) (Foyer und Noctor 2003). Zwei weitere Hypothesen umfassten ein Kühle-gekoppeltes Calciumsignal (Monroy et al. 1993, Örvar et al. 2000) und die Beteiligung eines oder mehrerer Lichtrezeptoren an der kühleinduzierten Flavonoid-akkumulation. Zur Klärung dieser Frage wurde vergleichend auch die Flavonoidakkumulation unter hohen Lichtstärken und durch UV-B untersucht. Sowohl die Kinetik der Flavonoid-akkumulaion als auch ihre Zusammensetzung in Rosettenblättern von A. thaliana wurde dabei umfassend analysiert. Die Rolle von ROS, vom Reduktionsgrad des Plastochinon-Pools und von den Lichtrezeptoren Phototropin und Cryptochrom in der Induktion der Flavonoidakkumulation wurde mit verschiedenen Experimenten untersucht. Zusätzlich wurde die Induktion der Flavonoidbiosynthese durch Kühle, hohe Lichtstärken und UV-B Strahlung auf Genexpressionsebene mittels Microarrays und Northernblots analysiert. Eine vergleichende Analyse der Genexpression von einem Drittel des Arabidopsis-Genoms unter den drei Bedingungen mittels Microarrays wurde durchgeführt um relevante Komponenten der entsprechenden Signaltransduktionswege zu entdecken. In Versuchen mit A. thaliana konnte eine Akkumulation von sechs Flavonolen (je drei Kämpferol- und Quercetinglykosiden) bei Kühle, unter hohen Lichtbedingungen und nach UV-B –Bestrahlung nachgewiesen werden. Dabei waren deutliche Unterschiede in der Akkumulation nach UV-B Behandlung zu den beiden anderen Behandlungen zu beobachten, die in einer starken Quercetinakkumulation und einer schnellen Induktion verschiedener Biosynthesegene bestanden. In Experimenten mit Photorezeptor-Mutanten konnte nachgewiesen werden, dass eine licht- und kühlebedingte Akkumu-lation von Quercetinglykosiden vor allem durch den Blaulichtsensor Cryptochrom 1 vermittelt wird. Dagegen war ein großer Teil der Akkumulation von Kämpferol-glykosiden Blaulicht-unabhängig. Das bedeutet, dass offenbar Kühle eine Cryptochrom-vermittelte Signaltransduktion verändern kann. ROS und der Reduktionsgrad der photosynthetischen Elektronentransportkette konnten als Signalgeber ausgeschlossen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass mindestens zwei Kühle rezeptierende Systeme in A. thaliana existieren: Eines, das mit Cryptochrom interagiert und die Flavonol-3’-Hydroxylase kontrolliert sowie ein davon unabhängiges System, das die Kämpferolbiosynthese kontrolliert.
 
Schlagworte:Arabidopsis thaliana, flavonoids, high light, low temperature, UV-B, signal transduction, gene expression, microarray, HPLC, oxidative stress, reduction state, light perception, cryptochrome, phototropin
 
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