Rumen Petrov Ivanov

Molecular Characterization of the EFFECTORS OF TRANSCRIPTION (ET) Gene Family in Arabidopsis and its Role in Plant Development

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 08.12.2005

Abstract
EFFECTORS OF TRANSCRIPTION (ET) sind pflanzenspezifische regulatorische Proteine, die 2-5 charakteristische C-terminale DNA- und Zink-bindende ET-repeats mit einem hochkonservierten Cystein-Muster enthalten. Transiente und ektopische Expresssion von ET-Genen aus Gerste und Brassica napus führt zur Störung Gibberellin (GA)-vermittelter Prozesse, darunter auch die Lignifizierung des Xylems. Hier berichten wir über die strukturelle Charakterisierung einer aus drei Mitgliedern bestehenden Genfamilie im Genom von Arabidopsis und weisen Ökotyp-spezifische Polymorphismen nach. Mutantenanalyse zeigt, dass AtET2 die Expression von KNOTTED1-ähnlichen KNAT-Genen, einschließlich BREVIPEDICELLUS1, kontrollieren. Diese Gene sind an der Aufrechterhaltung des undifferenzierten Zustandes von Kambium-Meristemzellen und der Repression der Differenzierung in lignifizierte Xylemzellen beteiligt. AtET2 reguliert sowohl GA-kontrollierte Gene, wie z. B das GABiosynthese-Gen für GA20-oxidase als auch Zellzyklus-abhängige Gene, wie z. B. GASA4. Eine Korrelation zwischen der Expression von AtET2 und dem Differenzierungsstatus sich entwickelnder Zellen wird nachgewiesen. Die zelluläre Lokalisation zeigt ferner, dass AtET-Funktionen auch auf einem ET-repeat abhängigen shuttling-Mechanismus zwischen Cytoplasma und Zellkern beruhen, wobei in nichtdifferenzierenden Zellen der Transfer von AtET2 in den Zellkern verhindert wird. Zusammenfassend weisen die Daten auf eine allgemeinere Funktion von ET-Faktoren bei der Regulation der Zelldifferenzierung im Kambium-Meristem hin, einem essentiellen Prozess bei der Gefäßentwicklung höherer Pflanzen.

EFFECTORS OF TRANSCRIPTION (ET) are plant specific regulatory proteins characterized by 2-5 C-terminal DNA- and zinc-binding ET-repeats with a highly conserved cysteine pattern. Transient and ectopic expression of ET genes from barley and Brassica napus results in the perturbation of gibberellin (GA)-mediated processes, including the lignification of xylem. Here we report the structural characterization of the three-member gene family found in the Arabidopsis genome and reveal ecotype specific polymorphisms. Mutant analysis demonstrates that AtET2 controls the expression of KNOTTED1-like KNAT genes, including BREVIPEDICELLUS, known to maintain an undifferentiated state in cambial meristem cells and to repress their differentiation into lignified xylem cells. We show that AtET2 is involved in the regulation of GA-controlled genes, like the GA-biosynthesis gene GA20-oxidase and the cell cycle related GASA4 gene. Furthermore, we describe a correlation between AtET2 gene expression and the differentiation state of developing cells. Cellular localization demonstrates that AtETfunction involves an ET-repeat dependent shuttling between cytoplasm and nucleus, preventing AtET2 from entering the nucleus in non-differentiating cells. Together, the data suggest a more general function of ET-factors in the regulation of cell differentiation in cambial meristems, a crucial process for the development of vascular tissues of plants.

Keywords:
Genregulation, Xylemdifferenzierung, KNAT-Gene, Gibberellin

gene regulation, xylem differentiation, KNAT genes, gibberellin

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Contents, List of abbreviations, Declaration (1-7)
Introduction (8-28)
Aim of the project (29)
Materials and methods (30-42)
Results (43-72)
Discussion (73-91)
Summary (92-93)
Zusammenfassung (94-95)
Literature (99-108)
Publication of results (110)
Appendix: Ectopic expression of EFFECTOR OF TRANSCRIPTION perturbs gibberellin-mediated plant developmental processes (111-149)