Transgenerationale Effekte von erhöhter Temperatur auf Samen- und Keimlingseigenschaften von <em>Arabidopsis thaliana</em> Histondeacetylase-Mutanten

Abstract

Pflanzensamen dienen zur Erhaltung und Verbreitung der Art, z.B. durch Überdauern im Boden und Erschließen neuer Lebensräume durch Wind und Tiere. Dafür sind von der Mutterpflanze beeinflusste Sameneigenschaften, wie das Keimverhalten und die Samenmorphologie von besonderer Relevanz. Die detaillierte Untersuchung des maternalen Einflusses erfordert eine individuelle Bestimmung des Phänotyps von Samen (Volumen, Masse etc.) und Keimlingen (Wachstum, Keimungszeitpunkt). Dies ist aufwendig und bei dem hier untersuchten Modellorganismus Arabidopsis aufgrund der äußerst geringen Samen- und Keimlingsgröße auch technisch herausfordernd. Daher wurde zunächst eine Seed-to-Plant Tracking Pipeline entwickelt und getestet, die aus verbesserten Versionen der Phänotypisierungs-Plattformen <em>phenoSeeder</em> (Sameneigenschaften) und Growscreen (Keimungsdetektion und Wachstum) besteht und eine verlässliche, präzise und automatisierte Charakterisierung von Arabidopsis-Samen und -Keimlingen ermöglicht. Das Seed-to-Plant Tracking wurde genutzt, um den Einfluss von transgenerationalem Stress zu untersuchen, indem Eigenschaften von Samen und Keimlingen gemessen und miteinander korreliert wurden, bei denen die Mutterpflanze vom Beginn der Blüte bis zur Samenernte erhöhter Temperatur ausgesetzt war. Diese Behandlung wurde sowohl über zwei aufeinanderfolgende Generationen als auch jeweils nur für die Eltern- bzw. Großelterngeneration durchgeführt. Beim Wildtyp Col-0 führte eine erhöhte Temperatur in der Elterngeneration zu einem Anstieg der Samenmasse und einer Abnahme der Samenhelligkeit. Weiterhin korrelierten Wachstum und Samenmasse positiv miteinander, dabei hing die Stärke der Abhängigkeit von der Behandlung ab.Die Effekte der erhöhten Temperatur konnten als plastisch identifiziert werden, da die Behandlung der Großeltern keine wesentlichen Auswirkungen auf die Messgrößen hatte. Mittels einer Transkriptomanalyse wurden Transkripte von Hitzeschockproteinen sowie Gene, welche im Zusammenhang mit Nährstoffspeicherung und ABA stehen, ermittelt, welche den Phänotyp beeinflussen könnten. Weiterhin wurden Effekte von Mutationen der pflanzenspezifischen Histon-deacethylasen (HDAC) in Interaktion mit der erhöhten Temperatur quantifiziert. Die Untersuchung des Phänotyps und der Expression erfolgte in Referenz zu Col-0. Die HDACs scheinen eine gewisse funktionelle Redundanz untereinander zu haben. Die <em>hd2b-kd</em> wies in allen Behandlungen jedoch die größte Anzahl unterschiedlich exprimierter Gene auf. Daher wurden Kombinationen des HD2B-knockdown mit anderen HDACs-knockouts untersucht. Die Tripelmutante <em>hd2a/hd2b/hd2d</em> besaß eine stark reduzierte Keim- und Wachstumsrate, verursacht durch die Kombination der <em>hd2a-ko</em> und <em>hd2b-kd</em>. Die HD2B scheint eine wichtige Rolle bei der Regulation von Genen der Samenentwicklung und des ABA-Gleichgewichts sowie der Stressreaktion auf erhöhte Temperatur zu spielen und wäre daher ein wichtiger Gegenstand für zukünftige Untersuchungen.

<strong>Transgenerational effects of elevated temperature on seed and seedling properties of <em>Arabidopsis thaliana</em> histone deacetylase mutants</strong><br/> Plant seeds are especially important in ensuring the distribution of a species, either by persisting within the soil or by being dispersed through animals or the wind to new habitats. In this regard seed characteristics influenced by the mother plant, such as germination behaviour and seed morphology are particularly relevant. A detailed investigation of the maternal influence requires the individual determination of seed- (volume, mass etc.) and seedlings- (growth and germination time) phenotype. This process is time-consuming and technically demanding, especially in the case of the model organism Arabidopsis due to the extremely small size of its seeds and seedlings. For this purpose, a Seed-to-Plant Tracking Pipeline was developed and tested. This pipeline uses optimised versions of the <em>phenoSeeder</em> (seed traits) and Growscreen (germination detection and growth) platforms to achieve a reliable, precise, and automated quantification of the Arabidopsis phenotype. The Seed-to-Plant Tracking was employed to investigate the effect of transgenerational stress by characterization and correlation of seed and seedlings traits, where the mother plant was treated with treated with elevated temperature from the beginning of flowering until seed harvest. This treatment was carried out over two successive generations as well as for the grandparent or parent generation, respectively. In the wildtype (Col-0), elevated temperatures resulted in an increase in seed mass and a decrease in seed brightness. Furthermore, a positive correlation was found between seed mass and growth rate. The strength of this correlation varied across the different treatments. The effects of elevated temperature could be identified as plastic, as the treatment of the grandparent showed no significant impact on the measured variables. The Transcriptome analysis (RNA-Seq) detected transcripts of heat shock protein, nutrient storage and ABA responsive genes, which may lead to a changed phenotype. Furthermore, the effects of mutations in plant-specific histone deacetylase (HDAC) in interaction with elevated temperature were quantified. The phenotype and gene expression were examined in reference to Col-0. The HDAC appear to have a certain functional redundancy among themselves. However, <em>hd2b-kd</em> showed the largest number of differentials expressed genes in all treatments. Therefore, combinations of the HD2B-knockdown with other HDAC-knockouts were investigated. The triple mutant <em>hd2a/hd2b/hd2d</em> had greatly reduced germination and growth rate, caused by the combination of <em>hd2a-ko</em> and <em>hd2b-kd</em>. The current results indicate that HD2B may have an important role in seed development and ABA balance, as well as stress reaction to elevated temperature, which should be further investigated in the future.