Urs Hähnel

Analyse zur Genexpression während der frühen Photomorphogenese von Arabidopsis thaliana mittels cDNA-Array-Technik

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 05.05.2004

Abstract
Licht ist einer der wichtigsten Faktoren für die Pflanzenentwicklung. Photorezeptoren speziell Phyto- und Cryptochrome gelten als verantwortlich für die Lichtwahrnehmung. Über Signalkaskaden steuern sie die Expression eines komplexen Netzwerkes von Genen, deren Zusammenwirken bisher nur unvollständig verstanden ist.
Mittels cDNA-Array-Technik wurde die Genexpression während der frühen Photomorphogenese untersucht. Für die Analyse wurden Arabidopsis Keimlinge etiolierter Wildtypen (Col-0, Ler-0, Ws-2) und photomorphogenetischer Mutanten (phyA, phyB, phyAB, hy1, hy2, cry1, cry2, det1 und 35S::PHYB) mit unterschiedlichen Lichtquellen bestrahlt. Die Daten wurden statistisch mit Hauptkomponentenanalyse und K-Mean-Clustering ausgewertet, Gene entsprechend in Gruppen zusammengefasst und auf gemeinsame Promotorelemente untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die wesentliche Veränderung der Genexpression während der ersten zwei Stunden der Belichtung erfolgt. Des weiteren wurde gefunden, dass Phytochrom B die Transkription unter Weißlichtbedingungen nicht aktiviert und insbesondere auf Gene des Photosyntheseapparates in dieser Phase repressiv wirkt. Phyto- bzw. Cryptochrome spielen entgegen der allgemeinen Auffassung zur Steuerung der Photomorphogenese wahrscheinlich während der frühen Prozesse keine Rolle bzw. sind sekundär. Folglich ist ein weiterer Signalweg zur Lichtwahrnehmung zu schlussfolgern. DET1 ist eine wichtige Komponente dieses Signalweges und nimmt sowohl in Dunkelheit als auch im Licht eine Schlüsselstellung ein.

Light is one of the most important factors in plant development. Photoreceptors mainly phyto- and cryptochromes are responsible for light sensing. They regulate a complex network of downstream acting genes via cascades, but these are still poorly understood.
Here I report about gene expression in early photomorphogenesis using the cDNA-array-technique. For the analysis 5 d old etiolated Arabidopsis seedlings of ecotypes (Col-0, Ler-0, Ws-2) and photomorphogenic mutants (phyA, phyB, phyAB, hy1, hy2, cry1, cry2, det1 and 35S::PHYB) were illuminated with different light sources. Data were statistically analysed using principle component analysis and K-Mean clustering, genes were arranged in groups and analysed for common promoter elements.
The experiments have shown, that gene expression changes mainly in the first two hours after illumination. Furthermore it was found that Phytochrome B is not able to activate transcription of photosynthesis genes under white light conditions. It rather acts as repressor. Phytochromes and cryptochromes have against the common opinion about the regulation of photomorphogenesis probably no function during the early processes or are of secondary importance respectively. A further signal transduction pathway is proposed. DET1 is an important component of this pathway and has a key position both in darkness as well as under light conditions.

Keywords:
Photomorphogenese, Phytochrome, Cryptochrome, Chromophor, DE-ETIOLATED1, Promotorelemente, G-Box, CAAT-Box, cDNA-Arrays

photomorphogenesis, phytochrome, cryptochrome, chromophor, DE-ETIOLATED1, promotor elements, G-Box, CAAT-Box, cDNA-arrays

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis
1. Einleitung (1-16)
2. Material und Methoden (17-37)
3. Ergebnisse (38-93)
4. Diskussion (94-118)
5. Zusammenfassung (119-121)
6. Anhang
    6.1. Weißlicht-cDNA-Array-Experimente mit Phytochromchromophormutanten (122-123)
    6.2. Literaturverzeichnis (124-137)
    6.3. Protokolle für Biogrid9600 (Textdateien im ZIP-Format gepackt)
    6.4. Dateien zur Analyse der Genexpression (Excel-Dateien im ZIP-Format gepackt, 25 MB)
Thesen