Molecular reprogramming in tomato pollen during development and heat stress

  • In times of a growing world population and the associated demand for high crop yield, the understanding and improvement of plant reproduction is of central importance. One key step of plant reproduction is the development of the male gametophyte, which is better known as pollen. In addition, the development of pollen was shown to be very sensitive to abiotic stresses, such as heat, which can cause crop damage and yield loss. To obtain new insights in the development and heat stress response of pollen, a combined transcriptome and proteome analysis was performed for three pollen developmental stages of non- and heat-stressed tomato plants. The analysis of the transcriptomes of non-stressed pollen developmental stages enabled the determination of mRNAs accumulated in certain developmental stages. The functional analysis of these mRNAs led to the identification of protein families and functional processes that are important at different times of pollen development. A subsequent comparison of the transcriptomes of non- and heat-stressed pollen revealed a core set of 49 mRNAs, which are upregulated in all three developmental stages. The encoded proteins include among other things different heat stress transcription factors and heat shock proteins, which are known key players of the plant heat stress response. Furthermore, 793 potential miRNAs could be identified in the transcriptome of non- and heat-stressed pollen. Interestingly, 38 out of the 793 miRNAs have already been identified in plants. For more than half of these miRNAs potential target mRNAs were identified and the interactions between miRNAs and mRNAs linked to the development and heat stress response of pollen. In total, 207 developmentally relevant interactions could be determined, out of which 34 have an effect on transcriptional-networks. In addition, 24 of the interactions contribute the heat stress response of pollen, whereby this mainly affects post-meiotic pollen. An initial correlation of the proteome and transcriptome of the developmental stages revealed that transcriptome analyses are not sufficient to draw exact conclusions about the state of the proteome. A closer look on the relationship of the transcriptome and proteome during pollen development revealed two translational modes that are active during the development of pollen. One mode leads to a direct translation of mRNAs, while the second mode leads a delayed translation at a later point in time. Regarding the delayed translation, it could be shown that this is likely due to a short-term storage of mRNAs in so-called EPPs. The comparison of the proteome and transcriptome response to heat stress revealed that the proteome reacts much stronger and that the reaction is mainly independent from the transcriptome. Finally, the comparison of the proteome of non- and heat-stressed pollen provided first indications for changes in the ribosome composition in response to heat stress, as 57 ribosomal proteins are differentially regulated in at least one developmental stage.
  • Um in Zeiten einer kontinuierlich wachsenden Weltbevölkerung die Nahrungssicherheit zu gewährleisten, sind das Verständnis und die Optimierung der Reproduktion von Nutzpflanzen von zentraler Bedeutung. Ein wesentlicher Schritt in der Reproduktion von Pflanzen ist die Entwicklung des männlichen Gametophyten, besser bekannt als Pollen. Neben der wachsenden Weltbevölkerung, spielt die Entwicklung von Pollen auch hinsichtlich der globalen Erwärmung eine wichtige Rolle. So konnte bereits gezeigt werden, dass sich entwickelnde Pollen sehr empfindlich auf erhöhte Temperaturbedingungen reagieren, was wiederum zu Ernteausfällen und Ertragsverlusten führen kann. Um neue Einblicke in die Entwicklung und das Hitzestressverhalten von Pollen zu erlangen, wurde eine kombinierte Transkriptom- und Proteomanalyse von drei Pollenentwicklungsstadien durchgeführt, welche aus nicht belasteten und wärmebelasteten Tomatenpflanzen isoliert wurden. Die Analyse der Transkriptome von nicht wärmebelasteten Pollen ermöglichte die Identifizierung von mRNAs, welche in bestimmten Entwicklungsstadien akkumuliert sind. Eine anschließend durchgeführte funktionale Analyse der mRNAs lieferte Proteinfamilien und biologische Prozesse, welche zu verschiedenen Zeitpunkten der Pollenentwicklung wichtig zu sein scheinen. Weiterhin konnte über den Vergleich der Transkriptome von nicht belasteten und wärmebelasteten Pollen ein Kernsatz von 49 mRNAs identifiziert werden, welche in allen drei Entwicklungsstadien unter Hitzestress hochreguliert sind. Die von den mRNAs kodierten Proteine umfassen unteranderem Hitzestresstranskriptionsfaktoren und Hitzeschockproteine, welche eine wichtige Rolle in der Hitzestressantwort von Pflanzen spielen. Ferner konnten 793 potentielle miRNAs in den Transkriptomen der nicht und wärmebelasteten Pollen detektiert werden, wobei 38 der miRNAs bereits in Pflanzen bekannt sind. Eine im Anschluss durchgeführte Zielvorhersage ermöglichte die Identifizierung von mRNAs, welche durch die miRNAs reguliert werden. Darüber hinaus wurden die Interaktionen zwischen miRNAs und mRNAs der Entwicklung und der Hitzestressantwort von Pollen zugeordnet. Insgesamt sind 207 der Interaktionen entwicklungsrelevant, wobei 34 davon einen Einfluss auf Transkriptionsfaktoren haben. Zusätzlich haben 24 der Interaktionen einen Einfluss auf das Hitzestressverhalten und dies vor allem in post-meiotischen Pollen. Die anfängliche Korrelation zwischen dem Proteom und Transkriptom der Entwicklungsstadien zeigte, dass die Analyse der Transkriptome nur bedingt Rückschlüsse über den Zustand der Proteome zulässt. Ein genauerer Blick auf das Verhältnis der Proteome und Transkriptome während der Pollenentwicklung offenbarte zwei Translationsmodi, welche während der Pollenentwicklung aktiv sind. Einer der Modi führt zu einer direkten Translation von mRNAs, während der zweite Modus zu einer zeitverzögerten Translation führt. Bezüglich der zeitverzögerten Translation konnte gezeigt werden, dass diese auf einer Kurzzeitspeicherung der mRNAs in sogenannten EPPs beruht. Der abschließende Vergleich der Reaktion der Proteome und Transkriptome auf den Hitzestress zeigte, dass die Proteome aller Entwicklungsstadien weitaus stärker und zugleich weitestgehend unabhängig vom Transkriptom reagieren. Zudem lieferte der Vergleich der nicht belasteten und wärmebelasteten Proteome erste Hinweise auf eine veränderte Zusammensetzung der Ribosomen unter Hitzestress, da 57 ribosomale Proteine in mindestens einem Entwicklungsstadium differentiell reguliert sind.
Metadaten
Author:Mario Keller
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-499390
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Enrico SchleiffORCiDGND, Michaela Müller-McNicollORCiD
Advisor:Enrico Schleiff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2019/02/04
Year of first Publication:2018
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2019/03/25
Release Date:2019/04/04
Page Number:169
HeBIS-PPN:447160737
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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