dc.contributor.author
Safavi Rizi, Vajiheh
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:56:09Z
dc.date.available
2015-12-09T15:07:25.390Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/8635
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-12834
dc.description.abstract
Oilseed rape (Brassica napus L.) is an important crop plant primarily grown
for oil production. Despite its high nitrogen (N) uptake, the overall nitrogen
use efficiency (NUE) of oilseed rape is rather low. To achieve optimal oilseed
yields, high amounts of N fertilizer must be applied to the field which is
economically adverse and has negative environmental effects. The major
fraction of N that the plant requires for pod development derives from
remobilization of N which has accumulated during the vegetative phase in the
stem and in leaves. One critical factor determining the NUE is the timing of
leaf senescence initiation and the efficiency of N remobilization to the sink
organs. At the time of abscission, the lower oilseed rape leaves still have a
high N content, resulting in a return to the soil during winter of up to 100
kg N ha-1 of the approximately 200 kg fertilizer N ha-1 required for optimal
seed yield. Nitrogen remobilization is significantly more efficient in younger
leaves in the upper canopy that senesce during pod development. At the time of
abscission their nitrogen content is only 1% of dry weight. The aims of this
work were (1) to advance the understanding of N-remobilization and -allocation
under normal and limiting N supply, (2) to identify sensitive early expression
markers for monitoring the N status of oilseed rape plants, and (3) to
investigate the consequences of future atmospheric conditions with elevated
CO2 concentrations on oilseed rape gene expression at varying N supply. 1)
Leaf transcriptome analyses under adequate and limited N supply during
development. Old source leaves (leaf #4) and young sink leaves (leaf #8) of
oilseed rape spring variety 'Mozart' plants grown under normal (150 kg N ha-1)
and limiting N conditions (75 kg N ha-1) were harvested at 4 different
developmental stages (78, 85, 92 and 99 days after sowing, DAS). Labeled cRNA
of the samples was hybridized to a newly developed custom B. napus microarray
carrying 59,577 oligonucleotide probes from B. napus EST contigs. To annotate
them, a BLAST search against the Arabidopsis thaliana genome sequence (TAIR
version 10) was performed and the (putative) gene function of the most closely
related Arabidopsis ortholog was assigned to the B. napus EST contigs.
Microarray data revealed that under low N condition most of gene expression
changes occur at earlier time points (between 85 and 92 DAS) when compared
with normal N supply. Most of the regulated genes were senescence-associated
transcription factors or related to senescence-associated activities, such as
up-regulation of protein degradation. This indicates that low N promotes
earlier senescence initiation in old oilseed rape leaves. Furthermore, the
transcriptome response of young leaves to different N conditions was opposite
to that of old leaves. In young leaves (#8) under normal N more senescence
associated transcriptome alterations were observed, indicating a delayed
senescence in sink leaves under N limitation which can be correlated with a
more economic use of available resources under N limitation. 2) Identification
of expression markers for the plant N status. Using two independent microarray
studies on oilseed rape spring variety Mozart (growth chamber condition) and
winter varieties Apex and Capitol (hydroponic condition) grown under
sufficient and limited N supply, 46 potential markers were selected. 35 of
these potential markers were identified in Mozart based on their high
expression changes (>10 fold) between different N conditions. In addition 12
potential markers which were identified by our collaborators (Prof. Horst,
Leibnitz-University of Hannover) as N-sensitive and cultivar-specific (Apex
and Capitol cultivars) were included. Between these two set of genes, one
potential marker was shared. The expression of all 46 potential marker genes
was further analyzed by qPCR in the five winter cultivars NPZ2, NPZ5, NPZ1005
and MSL101B, grown under greenhouse condition and Major, grown under field
condition to identify the most reliable markers. Eventually, 13 markers
showing distinct expression levels dependent on N supply but independent of
cultivar and growth condition were identified. 3) Leaf transcriptome response
of oilseed rape plants to elevated CO2 levels under different N conditions.
Oilseed rape plants (cv. Mozart) were grown in growth chamber under ambient
(380 ppm) or elevated (550 ppm) atmospheric CO2 levels in combination with
normal or low N conditions. By using the same B. napus microarray as in 1),
transcriptome responses of both old leaf (#4) and young leaf (#8) were
analyzed at 92 DAS under normal and low N conditions. The most striking
observation under elevated CO2 (in young and old leaves under both N
conditions) was up-regulation of the genes belonging to C-associated pathways
such as photosynthesis, cell wall (synthesis and degradation) lipid metabolism
and biosynthesis of C-containing secondary metabolites. The coordinated
regulation of these pathways correlates with and might explain the phenotypic
alterations of oilseed rape plants grown at high CO2 levels, namely higher
vegetative growth and biomass production, as was reported by our collaborator
(Franzaring et al. 2011).
de
dc.description.abstract
Raps (Brassica napus L.) stellt eine wichtige Nutzpflanze, die hauptsächlich
zur Produktion von Öl verwendet wird, dar. Trotz der effizienten
Stickstoffaufnahme ist die Effizienz der Stickstoffnutzung (Nitrogen Use
Efficiency, NUE) von Raps eher gering. Um dennoch eine optimale Samenausbeute
für die Gewinnung von Öl zu erhalten, müssen große Mengen an Stickstoffdünger
auf den Feldern für den Rapsanbau ausgebracht werden, was zu wirtschaftlichen
Nachteilen und negativen Effekten für die Umwelt führt. Der Großteil des für
die Entwicklung der Schoten benötigten Stickstoffs (N), wird durch die
Remobilisierung von, sich während der vegetativen Phase, im Stamm und in den
Blättern akkumulierten Stickstoff gewonnen. Ein kritischer Faktor, um die NUE
zu bestimmen, ist der Zeitpunkt der Initiierung der Blattseneszenz und die
Effektivität der Remobilisierung von Stickstoff zu den verbrauchenden Organen
(Stickstoffsenken) in der Pflanze. Zum Zeitpunkt der Abszission haben die
niedriger gelegenen Blätter weiterhin einen hohen Stickstoffgehalt. Dies führt
während des Winters zu einer Rückzufuhr in den Boden von bis zu 100 kg
Stickstoff ha-1 der schätzungsweise 200 kg an benötigtem Stickstoffdünger, die
für eine optimale Samenausbeute benötigt werden. Die Remobilisierung von
Stickstoff ist in den jüngeren Blättern des oberen Teils der Pflanze, die
während der Schotenentwicklung seneszieren, wesentlich effizienter. Zum
Zeitpunkt der Abszission macht ihr Stickstoffgehalt lediglich 1 % der
Trockenmasse aus. Die Ziele dieser Arbeit waren (1) das Verständnis zur
Remobilisierung und Verteilung von Stickstoff in Raps unter normaler und
limitierter Stickstoffversorgung zu verbessern, (2) die Identifizierung von
Markergenen, die während der Frühphase der Seneszenz exprimiert werden, um den
Stickstoffstatus von Rapspflanzen zu überwachen, und (3) die Untersuchung der
Auswirkungen von zukünftigen atmosphärischen Bedingungen mit erhöhten
CO2-Konzentrationen auf die Genexpression von Rapspflanzen unter variierendem
Stickstoffangebot. 1) Transkriptomanalysen in Blättern unter günstigem und
limitierendem Stickstoffangebot während der Entwicklung der Pflanze. Alte
Source-Blätter (Blatt #4) und junge sink-Blätter (Blatt #8) von Rapspflanzen
der Sommervarietät „Mozart“, die unter normalem (150 kg N ha-1) und
limitierendem Stickstoffangebot (75 kg N ha-1) wuchsen, wurden zu 4
unterschiedlichen Entwicklungszeitpunkten (78, 85, 92 und 99 Tage nach der
Aussaat, Days After Sowing, DAS) geerntet. Markierte cRNA der Proben wurde
gegen 59.577 Oligonukleotid-Sonden eines neu erstellten Microarrays
hybridisiert. Die Oligonukleotid-Sonden wurden aus B. napus EST-Contigs
erstellt. Um sie zu annotieren, wurde ein BLAST-Suchlauf gegen die Arabidopsis
thaliana Genomsequenz (TAIR Version 10) durchgeführt und die (putative)
Genfunktion des nächst-verwandten Arabidopsis-Orthologs den B. napus EST-
Contigs zugeordnet. Der Vergleich der Microarray-Daten zwischen dem normalen
und niedrigen Stickstoffangebot zeigte, dass die meisten Veränderungen der
Genexpression bei einem niedrigen Stickstoffangebot zu frühen Zeitpunkten
(zwischen 85 und 92 DAS) auftraten. Die meisten der regulierten Gene waren
Seneszenz-assoziierte Transkriptionsfaktoren oder standen in Verbindung zu
Seneszenz-assoziierten Prozessen, wie z.B. der Hochregulierung der
Proteindegradierung. Dies weist darauf hin, dass ein niedriges
Stickstoffangebot zu einer früheren Initiierung der Seneszenz in Blättern von
Rapspflanzen führt. Weiterhin waren Veränderungen im Transkriptom als Antwort
auf verschiedene Stickstoffbedingungen in jungen Blättern gegensätzlich zu
denen in älteren Blättern. In jungen Blättern (#8) wurden unter normalen
Stickstoffbedingungen mehr Seneszenz-assoziierte Veränderungen des
Transkriptoms beobachtet, was auf eine verzögerte Seneszenz in Sink-Blättern
unter Stickstofflimitierung hinweist. Dies kann möglicherweise auf einen
ökonomischeren Verbrauch von verfügbaren Ressourcen unter Stickstoffmangel
zurückgeführt werden. 2) Identifizierung von Expressionsmarkern für den
Stickstoffstatus in Rapspflanzen. Basierend auf zwei unabhängigen Microarray-
Studien zu der Sommerraps-Varietät Mozart (Anzucht in der Klimakammer) und den
Winterraps-Varietäten Apex und Capitol (Anzucht in hydroponischen Systemen),
die unter ausreichender und limitierender Stickstoffversorgung wuchsen, wurden
46 potenzielle Marker ausgewählt. 35 dieser potenziellen Marker wurden in
Mozart, basierend auf hohen Expressionsänderungen (>10-fach) bei verschiedenen
Stickstoffangeboten, identifiziert. Weitere 12 potenzielle Marker, die zuvor
durch unseren Kooperationspartner (Prof. Horst, Leibnitz-Universität Hannover)
in Apex und Capitol identifiziert wurden, vervollständigten die Auswahl. Für
alle potenziellen Marker wurde gezeigt, dass sie sensibel gegenüber dem
Stickstoffangebot und Varietätsspezifisch sind. Einer der potenziellen Marker
kam in beiden Auswahlen von Genen vor. Um die zuverlässigsten und robustesten
Marker zu identifizieren, wurde die Expression aller 46 potenziellen
Markergene in 5 verschiedenen Wintervarietäten (NPZ2, NPZ5, NPZ1005 und
MSL101B, angezogen unter Gewächshaus- und Major, angezogen unter
Feldbedingungen) per qPCR analysiert. Letztendlich wurden 13 Marker
identifiziert, die deutliche Expressionsänderungen abhängig vom
Stickstoffangebot aber unabhängig von Rapsvarietät und Wachstumsbedingungen
zeigen. 3) Veränderungen des Blatttranskriptoms von Rapspflanzen bei erhöhtem
CO2-Gehalt und unterschiedlichen Stickstoffkonzentrationen. Rapspflanzen der
Varietät „Mozart“ wurden in Klimakammern unter atmosphärischem (380 ppm) oder
erhöhtem (550 ppm) CO2-Gehalt in Kombination mit normalen oder niedrigen
Stickstoffkonzentrationen angezogen. Unter Verwendung des gleichen B. napus
Microarray-Setups wie in 1), wurden Expressionsänderungen in Blatt #4 und
Blatt #8 (altes bzw. junges Blatt) nach 92 DAS untersucht. Das auffälligste
Ergebnis bei erhöhtem CO2 Gehalt (in jungen und alten Blättern) war die
Hochregulierung der Expression von Genen, die an C-assoziierten Prozessen wie
Photosynthese, Zellwandsynthese und -abbau, Lipidmetabolismus und Biosynthese
von C-enthaltenden sekundären Metaboliten beteiligt sind. Die koordinierte
Regulierung dieser Prozesse korreliert mit phänotypischen Änderungen, wie
verstärktes vegetatives Wachstum und erhöhte Biomasse der Rapspflanzen
(Franzaring et al. 2011), die unter einem erhöhten CO2-Gehalt wuchsen und kann
diese möglicherweise erklären.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
gene expression
dc.subject
nitrogen deficiency
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Oilseed rape (Brassica napus L.) transcriptome response to senescence,
nitrogen deficiency and elevated CO2
dc.contributor.contact
vsafavi@zedat.fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Reinhard Kunze
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Wolfgang Schuster
dc.date.accepted
2015-04-29
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000100629-2
dc.title.translated
Analyse des Transkriptoms von Rapspflanzen (Brassica napus L.) auf Seneszenz,
Stickstoffmangel und erhöhte CO2-Konzentration
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
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FUDISS_thesis_000000100629
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FUDISS_derivate_000000018295
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open access