velikost textu

A transcriptomic-based comparison of barley cultivars differing with respect to their low temperature acclimation capacity

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
A transcriptomic-based comparison of barley cultivars differing with respect to their low temperature acclimation capacity
Název v češtině:
Transcriptomické porovnání odrůd ječmene lišících se schopností aklimatizace k nízkým teplotám
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Anna Janská, Ph.D.
Školitel:
RNDr. Jaroslava Ovesná, CSc.
Oponenti:
RNDr. Radomíra Vaňková, CSc.
RNDr. David Honys, Ph.D.
Konzultant:
Luigi Cattivelli
Id práce:
84596
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra experimentální biologie rostlin (31-130)
Program studia:
Anatomie a fyziologie rostlin (P1524)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
5. 2. 2015
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
ječmen, chladová aklimatizace, stres, otužování, transkriptomika, microarrays
Klíčová slova v angličtině:
barley, cold acclimation, stress, hardening, transcriptional profiling, microarrays
Abstrakt:
Abstrakt V disertační práci se zabývám porovnáním transkriptomických profilů odrůd ječmene (Hordeum vulgare L.) s odlišnou schopností chladové aklimatizace, a to na úrovni listu a odnožovacího uzle (OU). Odnožovací uzel jsem zvolila proto, že pro přezimování ozimých obilovin je to zásadní orgán. Abych pokryla první i druhou fázi aklimatizace, zvolila jsem tři týdny otužování při +3°C následované jedním dnem při -3°C. Mrazové poškození jsem měřila metodou konduktometrie (Publikace 2 a 3) s použitím optimalizovaného protokolu, který popsal Prášil a Zámečník (1998). Stejný protokol byl přizpůsoben pro sledování přírůstku mrazem poškozených rostlin (Publikace 2); pro tento účel byly testované rostliny po mrazovém cyklu zasazeny, seříznuty nad OU a byl sledován přírůstek a míra přežití během dalšího týdne. Pro transkriptomické analýzy jsem zvolila platformu DNA čipů Affymetrix (Close et al. 2004) a pro jejich následnou analýzu programy R, MAS 5.0 (Ihaka a Gentleman 1996, Publikace 2 i 3), Gene Spring GX 7.3 (Agilent Technologies, Santa Clara CA; Publikace 2) a MapMan (http://mapman.gabipd.org; Thimm et al. 2004; Usadel et al. 2005; Publikace 2), „Self- Organizing Maps” algoritmus (Kohonen et al. 1996; Publikace 3), MIPS FunCat (Ruepp et al. 2004; http://mips.gsf.de/projects/funcat; Publikace 2). První část disertační práce tvoří literární rešerše, která shrnuje obecné poznatky o tom, jak se rostliny vyrovnávají s nízkými teplotami, včetně genové exprese a možných metabolických drah indukovaných nízkou teplotou u modelové rostliny Arabidopsis thaliana a v menší míře i u obilovin (Publikace 1). Experimentální část práce zahrnuje publikace 2 až 4. První je zaměřena na porovnání transkriptomických profilů OU a listů ozimého ječmene v průběhu první a druhé fáze aklimatizace (Publikace 2) a druhá (Publikace 3) na porovnání tří různě odolných odrůd ječmene se zaměřením na porovnání stresové odpovědi listů a OU. Publikace 4 se zabývá postupem výběru referenčních genů pro hodnocení transkripce pomocí real-time PCR u listů a OU ječmene za podmínek nízkých teplot a sucha. Hlavním cílem disertační práce bylo zjistit, jaký specifický molekulární mechanismus (mechanismy) je základem reakce OU ječmene na nízké teploty a identifikovat, které geny a signální/metabolické dráhy jsou indukovány specificky u mrazově odolných odrůd ječmene. Výsledkem práce bylo zjištění, že listy i OU reagují na nízké teploty indukcí genů, které jsou pod kontrolou kyseliny abscisové, z nichž většina se podílí na osmotickém přizpůsobení. Transkripce genů kódující proteiny, které váží Ca2+ nebo kalmodulin, a genů kódující MAPK (mitogen-activated protein kinase) kaskádu, se měnila u obou typů orgánů a všech testovaných odrůd. Práce ukazuje, že klíčovým rozdílem mezi mrazově odolnými a citlivými odrůdami by mohla být schopnost udržení syntézy proteinů a zachování funkčnosti chloroplastů. Důležitým znakem odnožovacích uzlů odolných odrůd je schopnost selektivně reprimovat geny spojené s uspořádáváním nukleosomů a s regulací aktivity transposonů. Výsledky podporují tvrzení autorů Fowler a Thomashow (2002), že selektivní represe genů reprezentuje důležitou složku chladové aklimatizace. Citace: Close TJ, Wanamaker SI, Caldo RA, Turner SM, Ashlock DA, Dickerson JA, Wing RA, Muehlbauer GJ, Kleinhofs A, Wise RP (2004) A new resource for cereal genomics: 22 K Barley GeneChip comes of age. Plant Physiol 134: 960–968 Fowler S, Thomashow MF (2002) Arabidopsis transcriptome profiling indicates that multiple regulatory pathways are activated during cold acclimation in addition to the CBF cold response pathway. Plant Cell 14: 1675–1690 Ihaka R, Gentleman R (1996) A language for data analysis and graphics. J Comput Graph Stat 5: 299–314. doi: 10.2307/1390807 Kohonen T, Hynninen J, Kangas J, Laaksonen J (1996), SOM-PAK, the Self-Organizing Map Program Package (version 3.1).http://www.cis.hut.fi/research/papers/som\_tr96.ps.Z   Prášil I, Zámečník J (1998) The use of a conductivity measurement method for assessing freezing injury. I. Influence of leakage time, segment number, size and shape in a sample on evaluation of the degree of injury. Environ Exp Bot 40: 1–10 Ruepp A, Zollner A, Maier D, Albermann K, Hani J, Mokrejs M, Tetko I, Guldener U, Mannhaupt G, Munsterkotter M, Mewes HW (2004) The FunCat, a functional annotation scheme for systematic classification of proteins from whole genomes. Nucleic Acids Res 32: 5539-5545 Thimm O, Blaesing O, Gibon Y, Nagel A, Meyer S, Krüger P, Selbig J, Müller LA, Rhee SY, Stitt M. (2004) MAPMAN: a user-driven tool to display genomics data sets onto diagrams of metabolic pathways and other biological processes. Plant J. 37: 914–939. doi: 10.1111/j.1365- 313X.2004.02016.x Usadel B, Nagel A, Thimm O, Redestig H, Blaesing OE, Palacios-Rojas N, Selbig J, Hannemann J, Piques MC, Steinhauser D, Scheible W-R, Gibon Y, Morcuende R, Weicht D, Meyer S, Stitt M. (2005) Extension of the visualization tool MapMan to allow statistical analysis of arrays, display of coresponding genes, and comparison with known responses. Plant Physiol 138: 1195–1204. doi: 10.1104/pp.105.060459  
Abstract v angličtině:
Abstract The PhD thesis is focused on a transcriptomics-based comparison of barley cultivars differing with respect to their low temperature acclimation capacity, with a particular focus on genes transcribed in the leaf and crown. The crown was of interest because of its importance for the winter survival of the plant. To involve both the first and the second phase of hardening, the test plants were exposed first to +3°C for 21 days, followed by - 3°C for one day. Freezing damage was assessed by measuring electrolyte leakage (Papers 2 and 3), using a modified version of a protocol developed by Prášil and Zámečník (1998). The same protocol was adapted to evaluate crown regrowth (Paper 2); for this purpose, the plants were cooled, then replanted and cut above the crown, and their survival rate calculated over the following week. Each RNA sample was queried by hybridization to an Affymetrix 22 K Barley1 GeneChip Genome Array (Close et al. 2004). The data were statistically analysed with the help of the software packages R, MAS 5.0 (Ihaka & Gentleman 1996) (Papers 2 and 3), Gene Spring GX 7.3 (Agilent Technologies, Santa Clara CA) and MapMan (Thimm et al. 2004; Usadel et al. 2005) (Paper 2), the “Self-Organizing Maps” algorithm (Kohonen et al. 1996) (Paper 3) and MIPS FunCat (Ruepp et al. 2004) (Paper 2). Paper 1 comprises a review of the literature surrounding the means whereby plants cope with low temperature stress, as well as providing a detailed description of transcription and the likely metabolic pathways induced by low temperature stress, predominantly in Arabidopsis thaliana but also to some extent in the cereals. The experimental part of the thesis includes Papers 2 through 4, one of which is focused on the transcriptional profiling of the leaves and crowns of winter barley during the first and second phase of hardening (Paper 2) and one on a comparison of three barley cultivars differing with respect to their low temperature acclimation capacity, featuring in particular a contrast between the behaviour of the leaves and the crowns (Paper 3). Paper 4 focuses on the choice of an appropriate reference gene set for the assessment of the transcriptional response of barley to low temperature and drought stress. The overarching aim of the research was to investigate what specific molecular mechanism(s) underlie the low temperature response of the crown and to identify which genes and signalling/metabolic pathways are induced in frost tolerant but not in intolerant barley cultivars. The outcome was that both the leaves and the crowns respond to low temperature stress by up-regulating a suite of ABA (abscisic acid) responsive genes, most of which are known to participate in osmotic adjustment. Ca2+, calmodulin binding and the MAPK (mitogen-activated protein kinase) cascade were frequently identified as providing the necessary signalling. The study concluded that the maintenance of both protein synthesis (ensured by the induction of several elongation factors) and chloroplast function are the key physiological differences between frost tolerant and intolerant cultivars. On the other hand, the most important feature of the crown lies in its ability to selectively repress the transcription of genes associated with nucleosome assembly and transposon regulation. The results provide some support for the suggestion of Fowler and Thomashow (2002) that a selective repression of gene activity is likely to represent the major component of the low temperature acclimation response. References: Close TJ, Wanamaker SI, Caldo RA, Turner SM, Ashlock DA, Dickerson JA, Wing RA, Muehlbauer GJ, Kleinhofs A, Wise RP (2004) A new resource for cereal genomics: 22 K Barley GeneChip comes of age. Plant Physiol 134: 960–968 Fowler S, Thomashow MF (2002) Arabidopsis transcriptome profiling indicates that multiple regulatory pathways are activated during cold acclimation in addition to the CBF cold response pathway. Plant Cell 14: 1675–1690 Ihaka R, Gentleman R (1996) A language for data analysis and graphics. J Comput Graph Stat 5: 299–314. doi: 10.2307/1390807 Kohonen T, Hynninen J, Kangas J, Laaksonen J (1996), SOM-PAK, the Self-Organizing Map Program Package (version 3.1).http://www.cis.hut.fi/research/papers/som\_tr96.ps.Z   Prášil I, Zámečník J (1998) The use of a conductivity measurement method for assessing freezing injury. I. Influence of leakage time, segment number, size and shape in a sample on evaluation of the degree of injury. Environ Exp Bot 40: 1–10 Ruepp A, Zollner A, Maier D, Albermann K, Hani J, Mokrejs M, Tetko I, Guldener U, Mannhaupt G, Munsterkotter M, Mewes HW (2004) The FunCat, a functional annotation scheme for systematic classification of proteins from whole genomes. Nucleic Acids Res 32: 5539-5545 Thimm O, Blaesing O, Gibon Y, Nagel A, Meyer S, Krüger P, Selbig J, Müller LA, Rhee SY, Stitt M. (2004) MAPMAN: a user-driven tool to display genomics data sets onto diagrams of metabolic pathways and other biological processes. Plant J. 37: 914–939. doi: 10.1111/j.1365- 313X.2004.02016.x Usadel B, Nagel A, Thimm O, Redestig H, Blaesing OE, Palacios-Rojas N, Selbig J, Hannemann J, Piques MC, Steinhauser D, Scheible W-R, Gibon Y, Morcuende R, Weicht D, Meyer S, Stitt M. (2005) Extension of the visualization tool MapMan to allow statistical analysis of arrays, display of coresponding genes, and comparison with known responses. Plant Physiol 138: 1195–1204. doi: 10.1104/pp.105.060459  
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Anna Janská, Ph.D. 3.18 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Anna Janská, Ph.D. 101 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Anna Janská, Ph.D. 95 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Mgr. Anna Janská, Ph.D. 423 kB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. Radomíra Vaňková, CSc. 336 kB
Stáhnout Posudek oponenta RNDr. David Honys, Ph.D. 89 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 889 kB