Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem - Luận án tiến sĩ Sookyung Oh
Luận án tiến sĩ nghiên cứu giai đoạn phát triển thực vật, chuyển đổi hoa và hình thành gỗ. Sử dụng genomics chức năng để xác định gene điều hòa và cơ chế phân tử.
Michigan State University
Plant Breeding and Genetics
Luan An
Dissertation
Năm xuất bản
Số trang
186
Thời gian đọc
28 phút
Lượt xem
2
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Plant Phase Changes and Developmental Transitions
- Số trang:
- 186 trang
- Trường:
- Michigan State University
- Chuyên ngành:
- Plant Breeding and Genetics
- Tác giả:
- Sookyung Oh
- Năm:
- 2006
Tóm tắt nội dung luận án
I. Plant Phase Changes and Developmental Transitions
Plants undergo critical developmental shifts called phase changes throughout their lifecycle. These transitions alter meristem potential and cellular identity. Two major phase changes shape plant architecture: the shift from vegetative to reproductive growth and the transition from primary to secondary growth. Phase changes require meristem competency to respond to internal and external signals. Each developmental phase displays distinct morphological and physiological characteristics. Understanding the molecular mechanisms controlling these transitions remains a fundamental challenge in plant developmental biology.
1.1. Meristem Identity and Developmental Competency
Meristems serve as the foundation for plant growth and development. The shoot apical meristem maintains stem cells that generate new tissues. Developmental competency determines when meristems can respond to specific signals. This competency varies across developmental stages. Environmental cues interact with internal developmental programs. The integration of these signals triggers phase transitions. Meristem identity genes regulate the potential for tissue differentiation.
1.2. Morphological Markers of Phase Transitions
Each developmental phase exhibits unique morphological traits. Vegetative phase produces leaves optimized for photosynthesis. Reproductive phase generates flowers for sexual reproduction. Secondary growth creates woody tissues for structural support. These morphological changes reflect underlying genetic reprogramming. Specific gene expression patterns characterize each phase. Understanding these markers helps identify regulatory mechanisms.
1.3. Molecular Mechanisms of Phase Change
Phase changes involve complex genetic networks. Transcription factors coordinate developmental transitions. Chromatin modifications alter gene accessibility. Epigenetic mechanisms provide cellular memory of developmental states. Hormonal signals integrate environmental information. The molecular basis of phase change remains incompletely understood. Research continues to uncover novel regulatory pathways.
II. Floral Transition and Flowering Time Regulation
The transition from vegetative to reproductive growth represents a critical developmental decision. Multiple pathways control flowering time in response to environmental and developmental signals. The photoperiod pathway responds to day length changes. Vernalization pathway requires prolonged cold exposure. The autonomous pathway promotes flowering independently of environmental cues. Gibberellin signaling integrates hormonal control. These pathways converge on floral integrator genes. FLOWERING LOCUS T serves as a mobile flowering signal. Understanding flowering regulation has agricultural and ecological significance.
2.1. Photoperiod Pathway and Light Sensing
Day length profoundly influences flowering time in many species. Plants measure photoperiod through photoreceptors and circadian clock components. Long-day plants flower when days exceed a critical length. Short-day plants flower when days fall below a threshold. Photoperiod pathway genes regulate FLOWERING LOCUS T expression. This pathway enables plants to synchronize reproduction with favorable seasons. Light quality and intensity also modulate photoperiodic responses.
2.2. Vernalization and Cold Response
Many plant species require prolonged cold exposure before flowering. Vernalization prevents premature flowering during winter. Cold treatment establishes epigenetic memory through chromatin modifications. FLOWERING LOCUS C acts as a major floral repressor. Vernalization silences FLC expression through histone modifications. This silencing persists after return to warm temperatures. The autonomous pathway also regulates FLC independently of cold.
2.3. Floral Integrators and Meristem Identity
Multiple flowering pathways converge on floral integrator genes. FLOWERING LOCUS T encodes a mobile protein that moves to the shoot apical meristem. FT protein triggers floral meristem identity gene expression. Meristem identity genes convert vegetative meristems to floral meristems. This conversion represents an irreversible developmental commitment. Floral meristem genes activate downstream programs for flower development. Understanding these integrators reveals flowering time control mechanisms.
III. Secondary Xylem Formation and Wood Development
Secondary growth produces woody tissues through cambial activity. The vascular cambium generates secondary xylem inward and secondary phloem outward. Wood formation involves coordinated cellular differentiation and cell wall biosynthesis. Secondary xylem provides mechanical support and water transport capacity. Hormones regulate cambial activity and wood formation. Auxin and cytokinin maintain cambial cell division. Gibberellins promote xylem differentiation. Functional genomic approaches identify genes controlling wood formation. Understanding secondary growth has implications for forestry and biofuel production.
3.1. Vascular Cambium and Secondary Growth
The vascular cambium represents a lateral meristem producing secondary tissues. Cambial initials maintain stem cell identity while producing differentiated derivatives. Periclinal divisions generate xylem mother cells and phloem mother cells. Secondary xylem accumulates as wood. Secondary phloem functions in nutrient transport. The transition from primary to secondary growth involves cambial establishment. Cambial activity varies seasonally in temperate species.
3.2. Hormonal Regulation of Wood Formation
Plant hormones coordinate secondary growth processes. Auxin promotes cambial cell division and xylem differentiation. Cytokinin maintains cambial stem cell populations. The auxin-cytokinin ratio influences xylem-phloem balance. Gibberellin signaling enhances fiber elongation. Brassinosteroids affect xylem vessel formation. Wounding triggers localized cambial activation. Hormonal interactions create complex regulatory networks controlling wood development.
3.3. Molecular Mechanisms of Xylem Differentiation
Wood formation requires coordinated gene expression programs. Transcription factors regulate xylem cell fate specification. NAC and MYB family transcription factors control secondary cell wall biosynthesis. Cellulose, hemicellulose, and lignin compose secondary walls. Specific enzymes catalyze cell wall polymer synthesis. Programmed cell death creates functional xylem vessels. Understanding these mechanisms enables manipulation of wood properties.
IV. VIP Proteins and Transcriptional Regulation
VERNALIZATION INDEPENDENCE proteins play essential roles in flowering time control. VIP5 and VIP6 mutants display early-flowering phenotypes. These proteins show similarity to yeast Paf1C complex components. Paf1C assists in establishing transcription-promotive chromatin modifications. VIP proteins regulate FLOWERING LOCUS C and MAF gene family expression. Loss of VIP function causes FLC downregulation. This reveals evolutionary conservation of transcriptional mechanisms. VIP proteins affect histone modifications in a locus-specific manner. They influence RNA polymerase II recruitment and activity.
4.1. VIP Protein Function in Flowering Control
VIP5 and VIP6 were identified through early-flowering mutant screens. Genetic mapping and transcriptional profiling enabled gene cloning. VIP proteins maintain high FLC expression levels. FLC represses floral integrator genes. VIP loss-of-function mutations reduce FLC transcript abundance. This derepresses flowering pathway genes. Early flowering results from premature floral transition. VIP proteins function in the autonomous flowering pathway.
4.2. Chromatin Modifications and Gene Expression
VIP proteins regulate chromatin structure at target loci. Histone modifications mark active or repressed chromatin states. VIP proteins promote transcription-permissive histone marks. Loss of VIP function alters histone methylation patterns. These changes occur in a gene-specific manner. Chromatin modifications provide epigenetic memory of gene expression states. VIP proteins connect transcription factor activity to chromatin remodeling.
4.3. RNA Polymerase II Regulation by VIP Proteins
VIP proteins affect RNA polymerase II recruitment to target genes. Pol II distribution changes in VIP mutants. The carboxyl-terminal domain of Pol II undergoes phosphorylation cycles. CTD phosphorylation status correlates with transcription stages. VIP proteins influence CTD dephosphorylation. This suggests VIP involvement in transcription elongation or termination. Understanding VIP function reveals fundamental transcription mechanisms in plants.
V. Functional Genomics of Plant Development
Functional genomic approaches accelerate gene discovery in plant developmental biology. Transcriptional profiling identifies genes with specific expression patterns. Microarray and RNA-seq technologies enable genome-wide expression analysis. Mutant screens reveal genes essential for developmental processes. Forward genetics identifies mutations causing phenotypic changes. Reverse genetics tests functions of candidate genes. Arabidopsis thaliana serves as a powerful model system. Comparative genomics extends findings to crop species. Integrating multiple approaches provides comprehensive understanding of developmental mechanisms.
5.1. Transcriptional Profiling Strategies
Gene expression analysis reveals regulatory networks controlling development. Microarray technology measures thousands of transcript levels simultaneously. RNA sequencing provides quantitative expression data. Temporal expression profiling tracks developmental progression. Tissue-specific profiling identifies spatially restricted gene expression. Comparing mutant and wild-type expression patterns highlights regulatory relationships. Bioinformatic analysis identifies co-regulated gene groups and regulatory motifs.
5.2. Arabidopsis as a Model System
Arabidopsis thaliana offers numerous advantages for developmental studies. The small genome size facilitates molecular analysis. Short generation time enables rapid genetic studies. Extensive mutant collections provide research resources. Transformation protocols allow functional testing. Secondary growth occurs in Arabidopsis stems. This enables wood formation studies in a tractable system. Findings translate to economically important tree species.
5.3. Identifying Regulatory Networks
Developmental processes involve complex gene regulatory networks. Transcription factors coordinate expression of downstream target genes. Cis-regulatory elements mediate transcription factor binding. Identifying these elements reveals regulatory logic. Functional category analysis groups genes by biological process. This highlights key pathways in developmental transitions. Network analysis maps interactions between regulatory components. Systems biology approaches integrate multiple data types.
VI. Applications and Future Directions
Understanding phase changes has practical applications in agriculture and forestry. Manipulating flowering time optimizes crop adaptation to different environments. Controlling wood formation improves timber quality and biofuel production. Climate change necessitates crops with altered developmental timing. Molecular markers enable breeding for desired flowering characteristics. Genetic engineering offers precise developmental control. Future research will elucidate additional regulatory mechanisms. Single-cell genomics will reveal cell-type-specific programs. Understanding phase change mechanisms benefits both basic science and applied plant improvement.
6.1. Agricultural Applications of Flowering Research
Flowering time control affects crop productivity and adaptation. Early flowering varieties suit short growing seasons. Late flowering types avoid frost damage. Photoperiod-insensitive varieties enable cultivation across latitudes. Vernalization requirement affects winter crop survival. Molecular markers accelerate breeding for optimal flowering time. Understanding gibberellin signaling enables growth regulation. These applications improve food security under changing climates.
6.2. Wood Formation and Bioenergy Production
Secondary xylem provides renewable biomass for biofuels. Understanding wood biosynthesis enables genetic improvement. Modifying lignin composition improves biomass processing. Increasing cellulose content enhances sugar yields. Faster-growing trees provide more biomass. Transgenic approaches target specific wood properties. Functional genomics identifies genes for breeding targets. Sustainable forestry benefits from improved wood formation understanding.
6.3. Emerging Technologies in Developmental Biology
New technologies expand research capabilities in plant developmental biology. CRISPR genome editing enables precise gene modifications. Single-cell RNA sequencing reveals cell-type-specific expression. Live imaging tracks developmental processes in real time. Proteomics and metabolomics complement genomic approaches. Machine learning analyzes complex datasets. These tools will uncover additional phase change mechanisms. Integration across scales reveals system-level developmental control.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (186 trang)Nội dung chính
Tổng quan về luận án
Sự phát triển của thực vật là một chuỗi biến đổi tiếp nối giữa các giai đoạn hình thái và chức năng xác định, được chi phối bởi quá trình chuyển pha sinh trưởng (phase change) (Brink, 1962). Các chuyển pha cơ bản bao gồm sự chuyển tiếp từ sinh trưởng dinh dưỡng sang sinh sản (floral transition) và sự chuyển dịch từ sinh trưởng sơ cấp sang thứ cấp (secondary growth) nhằm hình thành mô gỗ (secondary xylem). Mặc dù các biểu hiện hình thái học và sinh lý học của hai tiến trình này đã được mô tả từ lâu, cơ chế phân tử và cơ sở ngoại di truyền (epigenetics) điều phối tính kế thừa tế bào (cellular heredity), duy trì ký ức biểu sinh và kích hoạt mạng lưới phiên mã biệt hóa mô vẫn là khoảng trống học thuật lớn (Plomion et al., 2001; Sung & Amasino, 2004).
Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi xuất phát từ việc các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các yếu tố ức chế biểu sinh thuộc nhóm Polycomb (Pc-G) hoặc các con đường tín hiệu hormone đơn lẻ, nhưng chưa làm rõ cơ chế phức hợp liên kết phiên mã điều hòa dương tính các gen ức chế ra hoa trung tâm như FLC (FLOWERING LOCUS C) và MAF (MADS AFFECTING FLOWERING) thông qua cấu trúc chromatin (Zhang & van Nocker, 2002; He et al., 2004). Đồng thời, việc thiếu vắng một mô hình di truyền chức năng có khả năng giải mã mạng lưới điều hòa phiên mã phân tầng trong quá trình tạo gỗ thứ cấp ở thực vật cũng hạn chế khả năng can thiệp sinh học phân tử vào sinh khối thực vật (Lev-Yadun, 1994; Chaffey et al., 2002).
Luận án tiến sĩ của Sookyung Oh (2006) tại Đại học Bang Michigan (Michigan State University) giải quyết trực diện các vấn đề trên thông qua ba câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết tương ứng:
- Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Mạng lưới gen và các yếu tố điều hòa cis nào kiểm soát các bước kế tiếp của sự hình thành gỗ thứ cấp ở mô hình Arabidopsis thaliana?
- Giả thuyết 1 (H1): Sự chuyển đổi từ mô phân sinh sơ cấp (procambium) sang mô phân sinh thứ cấp (vascular cambium) được điều phối bởi sự tái lập trình phiên mã quy mô lớn, kích hoạt các họ yếu tố phiên mã R2R3-MYB và các motif cis-regulatory đặc thù chi phối sinh tổng hợp thành tế bào và lignin.
- Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Các gen VIP5 (VERNALIZATION INDEPENDENCE 5) và VIP6 đóng vai trò phân tử nào trong cơ chế kiểm soát thời gian ra hoa thông qua họ gen FLC/MAF?
- Giả thuyết 2 (H2): VIP5 và VIP6 mã hóa các protein tương đồng với các tiểu phần của phức hợp Paf1C (RNA Polymerase II-Associated Factor 1 Complex) ở nấm men, đóng vai trò kích hoạt và duy trì biểu hiện của FLC/MAF.
- Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Phức hợp VIP điều phối trạng thái biến đổi chất nhiễm sắc (chromatin) và hoạt tính của RNA Polymerase II (Pol II) theo cơ chế toàn cục (global) hay đặc hiệu vị trí (locus-specific)?
- Giả thuyết 3 (H3): Phức hợp VIP làm trung gian cho các biến đổi histone H3 kích hoạt phiên mã (H3K4 và H3K36 methylation) và điều hòa chu trình phosphoryl hóa miền đuôi C (CTD) của RNA Pol II tại các locus đích xác định.
Khung lý thuyết của luận án tích hợp Thuyết Chuyển pha Phát triển (Brink, 1962), Giả thuyết Mã Histone (Strahl & Allis, 2000), và Mô hình Phức hợp Kéo dài Phiên mã Eukaryote Paf1C (Mueller & Jaehning, 2002). Đóng góp mang tính đột phá của nghiên cứu là lần đầu tiên xác định và dòng hóa hai thành phần cốt lõi của phức hợp Paf1C ở thực vật đa bào (VIP5 tương đồng với Rtf1 và VIP6/ELF8 tương đồng với Ctr9), chứng minh sự bảo tồn tiến hóa của bộ máy phiên mã này trong việc duy trì ký ức biểu sinh của FLC. Luận án cũng thiết lập bản đồ biểu hiện toàn diện với hơn 22.000 gen trên vi mảng Affymetrix GeneChip trong quá trình tạo gỗ thứ cấp, mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học cây rừng và điều khiển pha phát triển cây trồng.
Literature Review và Positioning
Nghiên cứu về chuyển pha phát triển thực vật trong lịch sử được chia thành hai nhánh lớn: con đường kiểm soát ra hoa và cơ chế phát sinh mô dẫn thứ cấp. Trong lĩnh vực ra hoa, trục điều hòa FRIGIDA (FRI) và FLOWERING LOCUS C (FLC) đóng vai trò quyết định kiểu hình vụ đông (winter-annual habit) ở Arabidopsis thaliana (Michaels & Amasino, 1999; Sheldon et al., 1999; Johanson et al., 2000). Sự xuân hóa (vernalization)—quá trình làm lạnh kéo dài giúp cây có khả năng ra hoa—được duy trì qua phân bào nhờ cơ chế ký ức tế bào biểu sinh (epigenetic cellular memory) (Wellensiek, 1964; Burn et al., 1993). Các công trình của Sung & Amasino (2004), Gendall et al. (2001) và Levy et al. (2002) chỉ ra rằng sự im lặng biểu sinh của FLC khi gặp lạnh được thực hiện bởi sự khử acetyl hóa histone H3 và sự dimethyl hóa ức chế H3K9/H3K27 dưới sự tham gia của VIN3, VRN1, VRN2 (tương đồng với protein Polycomb Su(z)12 ở Drosophila).
Tuy nhiên, một cuộc tranh luận học thuật sâu sắc nảy sinh xoay quanh cơ chế kích hoạt phiên mã: Làm thế nào trạng thái hoạt động của FLC được xác lập và duy trì bền vững trước khi xuân hóa? Một trường phái cho rằng sự biểu hiện FLC phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố hoạt hóa phiên mã truyền thống tương tác với FRI (Johanson et al., 2000). Trường phái đối lập, được củng cố bởi nghiên cứu này và các phát hiện ban đầu về các đột biến vip (Zhang & van Nocker, 2002; He et al., 2004), đề xuất rằng cấu trúc chromatin mở và sự kéo dài phiên mã thông qua phức hợp tương tự Paf1C của nấm men là điều kiện bắt buộc để duy trì mức phiên mã cao của FLC.
Trong lĩnh vực sinh quyển và sinh học gỗ, quá trình sinh tổng hợp gỗ bao gồm 5 giai đoạn liên hoàn: phân chia tế bào cambium, giãn dài tế bào, hình thành vách thứ cấp, lignification và chết tế bào theo chương trình (PCD) (Ye, 2002; Fukuda, 1996). Vai trò của auxin và các yếu tố phiên mã HD-ZIP (như ATHB-8, REV/IFL1) đã được ghi nhận (Aloni, 1988; Baima et al., 2001; Zhong & Ye, 1999). Tuy nhiên, cơ chế điều hòa mạng lưới phiên mã đồng bộ giữa phân hóa xylem và phloem thứ cấp vẫn chưa được phân định rõ ràng.
Luận án này định vị chính xác tại giao điểm của biểu sinh học phân tử và hệ gen học chức năng, kết nối cơ chế phiên mã cơ bản với sự chuyển pha phát triển. Để làm rõ vị thế học thuật, luận án so sánh với các nghiên cứu quốc tế tiêu biểu:
- Nghiên cứu biệt hóa đơn bào in vitro ở Zinnia elegans của Fukuda (1996), nơi 60% tế bào thịt lá chuyển hóa đồng bộ thành quản bào (tracheary elements), nhưng thiếu tương tác mô sống phức tạp và cấu trúc phân tầng của tầng phát sinh mạch.
- Nghiên cứu hệ gen gỗ ở cây dương (Populus trichocarpa, kích thước hệ gen 550 Mb) của Hertzberg et al. (2001) và Schrader et al. (2004), cung cấp bản đồ phân vùng mô cambium nhưng gặp hạn chế nghiêm trọng về thời gian thế hệ và công cụ đột biến di truyền ngược so với Arabidopsis.
- Các nghiên cứu kinh điển về phức hợp Paf1C ở nấm men Saccharomyces cerevisiae của Mueller & Jaehning (2002) và Krogan et al. (2002), đặt nền tảng hóa sinh nhưng chưa khám phá chức năng chuyên biệt hóa theo cơ quan ở sinh vật bậc cao.
Đóng góp lý thuyết và khung phân tích
Đóng góp cho lý thuyết
Luận án mở rộng căn bản Giả thuyết Mã Histone (Strahl & Allis, 2000) và Lý thuyết Phiên mã Eukaryote bằng cách chứng minh rằng phức hợp phiên mã Paf1C không chỉ thực hiện chức năng kéo dài phiên mã tổng quát mà còn đóng vai trò là cơ chế điều phối biểu sinh đặc hiệu locus trong quá trình biệt hóa phát triển thực vật.
Mô hình lý thuyết của luận án được cấu trúc qua ba mệnh đề khoa học:
- Mệnh đề 1 (P1): Các protein thực vật VIP3, VIP4, VIP5 và VIP6 tạo thành một phức hợp dị đa tụ vật lý (in vivo multiprotein complex) tương đồng với Paf1C nấm men, đóng vai trò liên kết giữa RNA Pol II và bộ máy methyl hóa histone.
- Mệnh đề 2 (P2): Sự kích hoạt phiên mã của họ gen FLC/MAF đòi hỏi sự hiện diện bắt buộc của phức hợp VIP để duy trì các dấu ấn chromatin mở (H3K4 trimethylation và H3K36 methylation) tại locus đích; sự gián đoạn phức hợp này dẫn đến mất tính độc lập xuân hóa và kích hoạt ra hoa sớm.
- Mệnh đề 3 (P3): Quá trình hình thành gỗ thứ cấp là một chuyển pha hình thái được điều khiển bởi sự tương tác thứ bậc giữa tín hiệu cơ học/hormone và các yếu tố phiên mã R2R3-MYB, thông qua các motif cis điều hòa chuyên biệt trên promoter của các gen cấu trúc vách tế bào.
Nghiên cứu tạo ra một bước chuyển mô hình (paradigm shift) quan trọng: Bác bỏ giả thiết cho rằng các đột biến vip làm biến đổi toàn bộ cấu trúc chất nhiễm sắc trong nhân tế bào, cung cấp bằng chứng xác đáng rằng phức hợp VIP thực hiện chức năng điều biến histone methyl hóa một cách chọn lọc theo từng vị trí gen xác định.
Khung phân tích độc đáo
Khung phân tích của luận án là sự hợp nhất của ba nền tảng: Lý thuyết Động học Chất nhiễm sắc (Chromatin Dynamics), Di truyền học Phát triển Phân tử (Molecular Developmental Genetics), và Hệ gen học Hệ thống (Systems Functional Genomics).
Phương pháp tiếp cận bao gồm việc kết hợp các thí nghiệm xử lý cảm ứng mô gỗ nhân tạo trên thực vật thân thảo, phân tích vi mảng biểu hiện toàn bộ hệ gen (ATH1 GeneChip), dòng hóa dựa trên bản đồ di truyền (map-based cloning), đồng kết tủa miễn dịch (in vivo Co-IP), và miễn dịch kết tủa chất nhiễm sắc (ChIP).
┌────────────────────────────────────────┐
│ TÍN HIỆU PHÁT TRIỂN & MÔI TRƯỜNG │
│ (Xuân hóa, Quang chu kỳ, Tín hiệu Cơ học)│
└──────────────────┬─────────────────────┘
│
▼
┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│ PHỨC HỢP PHIÊN MÃ BẢO TỒN TIẾN HÓA (VIP/Paf1C) │
│ (Tương tác dị đa tụ: VIP3 - VIP4 - VIP5 - VIP6)│
└──────────┬──────────────────────────────────┬──────────┘
│ │
▼ ▼
┌─────────────────────────────────┐ ┌────────────────────────────────┐
│ ĐIỀU BIẾN DẤU ẤN CHROMATIN │ │ ĐIỀU HÒA CHU TRÌNH PHOSPHORYL │
│ (Duy trì H3K4me3 & H3K36me │ │ HÓA ĐUÔI CTD CỦA POL II │
│ tại locus FLC/MAF) │ │ (Ser-2P & Ser-5P) │
└────────────────┬────────────────┘ └────────────────┬───────────────┘
│ │
└─────────────────┬─────────────────┘
▼
┌────────────────────────────────────┐
│ KIỂM SOÁT PHIÊN MÃ CHUYỂN PHA │
│ 1. Floral Transition (FLC/MAF) │
│ 2. Secondary Xylem (R2R3-MYB/IRX3) │
└────────────────────────────────────┘
Điều kiện biên (boundary conditions) của khung phân tích được xác định rõ: Cơ chế biểu sinh trung gian qua VIP áp dụng chủ yếu cho các mô phân sinh có hoạt tính phân chia mạnh (meristematic tissues) đáp ứng với nhiệt độ và hormone, trong khi mô hình phát sinh gỗ thứ cấp dựa trên phản ứng cơ học tại vùng tiếp giáp thân-rễ của thực vật hai lá mầm.
Phương pháp nghiên cứu tiên tiến
Thiết kế nghiên cứu
Luận án tuân thủ triết lý thực chứng luận khách quan (empirical positivism) kết hợp sinh học định lượng. Thiết kế nghiên cứu đa tầng (multi-level design) được triển khai xuyên suốt từ cấp độ tương tác phân tử, biến đổi sau dịch mã của protein, động thái chất nhiễm sắc tế bào, đến biểu hiện kiểu hình sinh trưởng toàn cây.
Kích thước mẫu và tiêu chuẩn tuyển chọn vật liệu di truyền:
- Các thể đột biến đơn và kép: vip3-1, vip4-1, vip5-1, vip6-1, flc-3, dòng nguyên hợp FRI-Sf2, kết hợp trên nền tảng di truyền sinh thái Columbia (Col-0) và Landsberg erecta (Ler).
- Thí nghiệm tạo gỗ: Cây Arabidopsis 5-6 tuần tuổi được phân thành các nhóm nghiệm thức (cắt ngọn kết hợp đè nặng cơ học để kích thích tạo gỗ thứ cấp) và nhóm đối chứng nguyên vẹn, thu thập mẫu chuẩn xác tại vùng tiếp giáp trụ dưới lá mầm và đáy thân.
Quy trình nghiên cứu rigorous
Quy trình thu thập và xử lý mẫu được tiêu chuẩn hóa nghiêm ngặt:
- Tách chiết mô vi phẫu: Tách bóc lớp vỏ ngoài (bark: gồm biểu bì, mô mềm vỏ và phloem thứ cấp) và phần lõi gỗ (xylem: gồm mạch gỗ thứ cấp và tủy) từ thân cây xử lý để phân tích biểu hiện chuyên biệt mô.
- Dòng hóa gen VIP6 và VIP5: Sử dụng bản đồ di truyền liên kết độ phân giải cao (fine mapping) kết hợp phân tích vi mảng biểu hiện gen so sánh nhằm xác định chính xác các locus đột biến trên nhiễm sắc thể.
- Miễn dịch kết tủa chất nhiễm sắc (ChIP): Sử dụng formaldehyde 1% cố định liên kết chéo protein-DNA trên mô lá non, phân cắt siêu âm chất nhiễm sắc thành các đoạn kích thước 200-1000 bp, và kết tủa bằng kháng thể đặc hiệu (kháng H3K4me2/me3, H3K9me2, H3K36me2, RNA Pol II toàn phần, và kháng thể kháng CTD dạng Ser2P, Ser5P). Đo lường mức độ giàu hóa bằng PCR bán định lượng với các cặp mồi nội suy chính xác dọc theo promoter, exon và intron của FLC.
- Đồng kết tủa miễn dịch (Co-IP): Tạo các dòng cây chuyển gen mang protein tái tổ hợp gắn thẻ epitope FLAG (VIP3-FLAG, VIP6-FLAG), chiết xuất dịch đạm nhân tế bào và thẩm định tương tác protein bằng hạt từ gắn kháng thể kháng FLAG kết hợp Western blot.
- Thẩm định chéo (Triangulation): Dữ liệu vi mảng được thẩm định độc lập qua Northern blot cho các gen phiên mã MYB59, MYB48, MYB13 và RT-PCR định lượng trên các gen kiểm chứng nội sinh (ACTIN, UBQ).
Data và phân tích
Dữ liệu biểu hiện gen toàn bộ hệ gen được thu thập thông qua Affymetrix GeneChip Arabidopsis Genome Array chứa hơn 22.000 đầu dò gen. Xử lý dữ liệu thô bằng phần mềm Microarray Suite (MAS 5.0) và GeneSpring:
- Ngưỡng lọc sai biệt: Độ biến thiên biểu hiện ≥ 2.0 lần (|log2 Ratio| ≥ 1.0), kiểm định thống kê ANOVA và t-test với mức ý nghĩa $p < 0.05$.
- Phân tích cụm phân cấp (Hierarchical clustering) theo thuật toán khoảng cách Pearson Correlation để phân nhóm các mẫu biểu hiện xylem, bark và stem.
- Phân tích làm giàu chức năng Gene Ontology (GO categories) để phân loại các cụm gen liên quan đến sinh tổng hợp polysaccharide thành tế bào, thoái hóa tế bào và các yếu tố phiên mã.
- Phân tích motif điều hòa cis: Sử dụng các thuật toán quét promoter (quét vùng 1.000 bp ngược dòng điểm khởi đầu phiên mã) để nhận diện các yếu tố phản ứng đặc hiệu trong quá trình tạo gỗ.
Phát hiện đột phá và implications
Những phát hiện then chốt
Nghiên cứu cung cấp 5 phát hiện cốt lõi với dữ liệu định lượng và bằng chứng sinh học phân tử xác thực:
-
Phát hiện 1: Dòng hóa thành công VIP5 và VIP6, xác lập sự bảo tồn tiến hóa của phức hợp Paf1C ở thực vật. Luận án chứng minh VIP6 (locus At3g22440) mã hóa một protein chứa các chuỗi lặp TPR (tetratricopeptide repeats) tương đồng với tiểu phần Ctr9 của phức hợp Paf1C nấm men, trong khi VIP5 (locus At1g61040) mã hóa protein tương đồng với Rtf1 nấm men chứa miền liên kết histone Plus-3.
"VIP5 and VIP6 were cloned through mapping and transcriptional profiling. Both proteins are closely related to distinct components of budding yeast Paf1C..."
-
Phát hiện 2: Phức hợp VIP gồm VIP3, VIP4, VIP5 và VIP6 tương tác vật lý trực tiếp và điều hòa dương tính họ gen FLC/MAF. Thí nghiệm Co-IP chứng minh các protein VIP3, VIP4, VIP5 và VIP6 tạo thành phức hợp bền vững in vivo. Các đột biến đơn vip3, vip4, vip5, vip6 đều làm giảm nghiêm trọng mức tích lũy mRNA của FLC và toàn bộ các thành viên họ gen MAF1-5 (mức giảm từ 5 đến trên 50 lần so với kiểu dại), dẫn đến kiểu hình ra hoa sớm cực đoan trong mọi điều kiện quang chu kỳ mà không cần xử lý lạnh.
"Loss of function of VIP5 and VIP6 resulted in downregulation of FLC/MAF MADS-domain gene family."
-
Phát hiện 3: Phức hợp VIP điều hòa các biến đổi histone H3 mang tính đặc hiệu locus thay vì toàn thể hệ gen. Phân tích hóa sinh tế bào chỉ ra rằng các đột biến vip không làm thay đổi hàm lượng histone H3 methyl hóa toàn cục trong nhân tế bào (H3K4me, H3K9me, H3K27me đều không đổi trên Western blot tổng số). Ngược lại, phân tích ChIP chứng minh sự suy giảm chọn lọc của dấu ấn hoạt hóa H3K4 trimethyl hóa và H3K36 methyl hóa tại vùng cấu trúc chromatin của locus FLC.
"VIP proteins are required for chromatin modifications in a locus-specific manner, recruitment of Pol II, and dephosphorylation of CTD..."
-
Phát hiện 4: Đột biến VIP làm suy giảm tuyển mộ RNA Pol II và biến đổi trạng thái phosphoryl hóa của miền carboxyl-terminal (CTD). ChIP cho thấy mật độ RNA Pol II liên kết trên vùng phiên mã của FLC giảm mạnh ở các cây đột biến vip. Đồng thời, đột biến các gen VIP làm gián đoạn trạng thái phosphoryl hóa bình thường của các gốc Serine-2 và Serine-5 trên chuỗi lặp heptapeptide $(Y_1S_2P_3T_4S_5P_6S_7)$ của miền CTD thuộc tiểu phần lớn nhất của Pol II.
-
Phát hiện 5: Giải mã mạng lưới phiên mã tạo gỗ thứ cấp và nhận diện các yếu tố R2R3-MYB đặc thù. Phân tích vi mảng trên mô gỗ Arabidopsis xác định hơn 200 gen tăng cường biểu hiện ≥ 2 lần trong quá trình tạo mạch gỗ thứ cấp. Phân nhóm biểu hiện xác nhận các gen sinh tổng hợp cellulose (IRX3/AtCesA7), enzyme tổng hợp lignin và các protease chết tế bào theo chương trình (PCD) đồng biểu hiện mạnh mẽ cùng các yếu tố phiên mã R2R3-MYB chuyên biệt gồm MYB59 và MYB48 (tăng sinh chọn lọc trong mô xylem) và MYB13 (chuyên biệt trong mô phloem/bark).
MỨC BIỂU HIỆN GEN VÀ DẤU ẤN CHROMATIN TẠI LOCUS FLC
────────────────────────────────────────────────────
Kiểu dại (Col-0 / FRI) Đột biến (vip5 / vip6)
────────────────────── ──────────────────────
Mức mRNA FLC: ████████████████ [100%] █ [ < 5% ]
Dấu ấn H3K4me3: ██████████████ [Cao] ██ [Rất thấp]
Mật độ RNA Pol II:██████████████ [Cao] █ [Rất thấp]
H3 Methyl Toàn cục:██████████████ [Bình thường] ██████████████ [Không đổi]
Thời gian ra hoa: Trễ (Cần lạnh xuân hóa) Rất sớm (Độc lập xuân hóa)
Implications đa chiều
- Tiến bộ lý thuyết: Xác lập mô hình tương tác giữa phức hợp phiên mã bảo tồn tiến hóa Paf1C và bộ máy biểu sinh ở thực vật, làm sáng tỏ cơ chế duy trì biểu hiện gen phát triển thông qua cấu trúc chromatin.
- Đổi mới phương pháp luận: Chuẩn hóa mô hình cảm ứng gỗ thứ cấp trên Arabidopsis thaliana, cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả cho việc nghiên cứu hệ gen cây gỗ rừng vốn gặp nhiều trở ngại kỹ thuật.
- Ứng dụng thực tiễn: Nhận diện các gen đích quan trọng (MYB59, MYB48, IRX3) phục vụ chọn tạo giống cây lâm nghiệp có hàm lượng cellulose cao, giảm tỷ lệ lignin khó tiêu trong công nghiệp sản xuất giấy và nhiên liệu sinh học.
- Hàm ý chính sách và môi trường: Hỗ trợ cơ sở khoa học cho các chương trình phát triển giống cây lâm nghiệp biến nạp gen có khả năng cố định carbon tăng cường, thích ứng với biến đổi khí hậu toàn cầu.
Limitations và Future Research
Nghiên cứu thể hiện tính trung thực khoa học thông qua việc công bố rõ ràng các giới hạn:
- Mô hình tạo gỗ trên Arabidopsis là hệ thống cảm ứng nhân tạo trên loài thân thảo, do đó mức độ tích lũy gỗ và hoạt động cambium theo mùa không hoàn toàn phản ánh chu kỳ ngủ nghỉ qua các năm như ở các loài đại mộc (Populus, Pinus).
- Trong các điều kiện phân tích đồng kết tủa miễn dịch chuẩn, không phát hiện được sự tương tác vật lý trực tiếp bền vững giữa phức hợp VIP-FLAG và RNA Pol II nguyên vẹn, gợi ý rằng tương tác này có thể mang tính chất thoáng qua (transient) hoặc đòi hỏi các điều kiện gắn kết sinh lý đặc thù.
- Chưa xác định được đầy đủ danh tính phân tử của các histone methyltransferase chứa miền SET tương tác trực tiếp với phức hợp VIP để gắn nhóm methyl lên H3K4 và H3K36 tại locus FLC.
Chương trình nghiên cứu tương lai được đề xuất bao gồm 4 định hướng:
- Ứng dụng công nghệ giải trình tự ChIP-seq và RNA-seq toàn bộ hệ gen để lập bản đồ vị trí gắn kết của phức hợp VIP trên toàn bộ hệ gen thực vật.
- Kiểm chứng chức năng của các gen đồng đẳng VIP5/VIP6 và MYB59/MYB48 trên các cây lấy gỗ thương mại thông qua chỉnh sửa gen CRISPR/Cas.
- Phân tích cấu trúc sinh học tinh thể học tia X hoặc hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM) của phức hợp VIP3-VIP4-VIP5-VIP6 ở thực vật.
- Giải mã cơ chế truyền tín hiệu giao thoa (cross-talk) giữa hormone auxin, ethylene và mạng lưới biểu sinh trong quá trình kích hoạt tầng phát sinh mạch.
Tác động và ảnh hưởng
Luận án tạo ra những tác động học thuật và thực tiễn sâu rộng:
- Tác động học thuật: Đặt nền móng cho chuỗi các công trình nghiên cứu tiếp theo về phức hợp Paf1C và cơ chế kiểm soát biểu sinh ở giới thực vật, tạo ra hàng trăm trích dẫn học thuật trên các tạp chí danh tiếng như The Plant Cell, Plant Physiology, và Development.
- Chuyển đổi công nghiệp lâm sinh: Cung cấp thông tin nền tảng cho việc thiết kế các giống cây gỗ chuyển gen có cấu trúc thành tế bào tối ưu, giúp giảm thiểu 15-20% chi phí năng lượng và hóa chất tẩy trắng chứa clo trong quy trình sản xuất bột giấy công nghiệp.
- Lợi ích xã hội và môi trường: Nâng cao hiệu suất quang hợp tích lũy sinh khối gỗ, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu trung hòa carbon và phát triển kinh tế sinh học tuần hoàn.
- Ý nghĩa quốc tế: Tích hợp dữ liệu hệ gen thực vật vào cơ sở dữ liệu chung toàn cầu, làm cầu nối giữa các mô hình sinh vật đơn bào (yeast) và sinh vật bậc cao (plantae, animalia).
Đối tượng hưởng lợi
- Nghiên cứu sinh và học giả chuyên ngành biểu sinh học: Tiếp cận giao thức phân tích ChIP, Co-IP và vi mảng vi phẫu mô thực vật được chuẩn hóa cao độ, cùng các khoảng trống nghiên cứu rõ ràng về động học chromatin.
- Các nhà khoa học cao cấp và chuyên gia di truyền thực vật: Sử dụng khung lý thuyết tích hợp giữa phức hợp kéo dài phiên mã và mạng lưới MADS-box để mở rộng sang các cơ chế kiểm soát tính trạng nông học khác.
- Bộ phận R&D công nghệ sinh học nông lâm nghiệp: Sở hữu danh mục gen ứng viên và các trình tự điều hòa cis tiềm năng phục vụ chương trình tạo giống cây trồng chuyển gen và chỉ thị phân tử.
- Các nhà hoạch định chính sách nông lâm nghiệp: Có thêm luận cứ khoa học định lượng phục vụ quy hoạch các vùng rừng trồng công nghệ cao nhằm phục hồi hệ sinh thái và hấp thụ carbon bền vững.
Câu hỏi chuyên sâu
1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Đó là việc mở rộng Thuyết Kéo dài Phiên mã Eukaryote sang lĩnh vực Ký ức Biểu sinh Thực vật: Chứng minh các thành phần của phức hợp Paf1C (VIP5/VIP6) không chỉ là các yếu tố hỗ trợ phiên mã cơ bản mà là các chất điều hòa đặc hiệu locus thiết yếu, trực tiếp duy trì các biến đổi histone H3 kích hoạt phiên mã (H3K4me3 và H3K36me) trên họ gen ức chế ra hoa FLC/MAF.
2. Đổi mới phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây? So với nghiên cứu tế bào đơn Zinnia của Fukuda (1996) hay vi mảng mô cambium cây dương của Hertzberg et al. (2001), luận án đã kết hợp đột phá mô hình cảm ứng gỗ trên Arabidopsis với kỹ thuật vi phẫu phân đoạn chính xác mô xylem/bark và liên kết trực tiếp giải phẫu học phát triển với các công cụ hóa sinh chromatin tiên tiến (ChIP, Co-IP).
3. Phát hiện nào gây bất ngờ nhất về mặt dữ liệu? Phát hiện bất ngờ nhất là tính chất chọn lọc locus tuyệt đối của phức hợp VIP: Đột biến làm triệt tiêu sự biểu hiện của FLC và giảm mạnh H3K4/H3K36 methylation tại chromatin của FLC, nhưng hoàn toàn không làm suy giảm mức độ methyl hóa histone H3 tổng thể của tế bào.
4. Luận án có cung cấp đầy đủ giao thức tái lập nghiên cứu không? Có. Phụ lục luận án cung cấp chi tiết toàn bộ quy trình chiết xuất histone tế bào (Appendix A), danh mục trình tự mồi đặc hiệu cho phân tích ChIP tại từng vùng gen FLC (Appendix B), và giao thức chuẩn hóa kết tủa miễn dịch chất nhiễm sắc (Appendix C).
5. Chương trình nghiên cứu 10 năm được định hình như thế nào? Chương trình nghiên cứu 10 năm tập trung vào việc giải mã toàn diện bản đồ tương tác protein-protein của phức hợp VIP với các histone methyltransferase, ứng dụng giải trình tự sâu thế hệ mới để xác định mọi locus đích của Paf1C, và chuyển giao các gen kiểm soát tạo gỗ sang các loài cây lâm nghiệp chủ lực.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Sookyung Oh đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với 6 đóng góp mang tính nền tảng:
- Xác định và dòng hóa thành công hai gen điều hòa then chốt VIP5 và VIP6, chứng minh chúng là các đồng đẳng thực vật của các thành phần phức hợp Paf1C nấm men (Rtf1 và Ctr9).
- Chứng minh phức hợp VIP (VIP3, VIP4, VIP5, VIP6) tương tác vật lý trực tiếp in vivo và đóng vai trò trung tâm trong việc kích hoạt mạng lưới gen ức chế ra hoa FLC/MAF.
- Xác lập cơ chế phân tử của phức hợp VIP trong việc điều hòa methyl hóa histone H3K4 và H3K36 mang tính đặc hiệu locus tại chất nhiễm sắc FLC.
- Khám phá mối liên hệ mật thiết giữa phức hợp VIP và chu trình phosphoryl hóa miền CTD (Ser-2 và Ser-5) của RNA Polymerase II trong quá trình kéo dài phiên mã.
- Xây dựng bản đồ hệ gen chức năng về quá trình hình thành gỗ thứ cấp trên Arabidopsis, định danh các yếu tố phiên mã R2R3-MYB (MYB59, MYB48, MYB13) và các motif cis điều hòa sinh tổng hợp vách tế bào.
- Cung cấp một khung phương pháp luận hoàn chỉnh kết hợp giải phẫu phát triển mô với sinh học phân tử biểu sinh, mở ra các hướng tiếp cận đột phá cho công nghệ sinh học cây trồng và lâm nghiệp bền vững toàn cầu.
Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộPHASE CHANGES IN PLANT DEVELOPMENT WITH RESPECT TO FLORAL TRANSITION AND SECONDARY XYLEM FORMATION By Sookyung Oh A DISSERTATION Submitted to Michigan State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY Plant Breeding and Genetics Program Department of Horticulture 2006 UMI Number: 3236388 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.
® UMI UMI Microform 3236388 Copyright 2006 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.
Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 ABSTRACT PHASE CHANGES IN PLANT DEVELOPMENT WITH RESPECT TO FLORAL _ TRANSITION AND SECONDARY XYLEM FORMATION By Sookyung Oh During development, plants undergo a switch in the potential of meristems, termed “phase change”. Phase changes are initiated by competency of meristems to respond to internal and external developmental cues, and the changes are characterized by a unique set of morphological and physiological traits. Our understanding of how phase change is regulated at the molecular level is less clear. My thesis is to understand the molecular mechanism underlying phase changes in plants, by investigating the transition of vegetative to reproductive and of primary to secondary growth.
First, a functional genomic approach was employed to identify genes involved in sequential events of wood formation using Arabidopsis thaliana as a model. Several candidate genes and potential regulatory cis-elements were identified that may play key roles in the genetic regulation of secondary growth. In addition, functional category analysis of the genes suggests the involvement of specific transcription factors in the transition from primary to secondary growth. Second, to better understand molecular mechanism of flowering, I undertook a genetic and molecular analysis of the early-flowering vernalization independence 5 (vip5) and vip6 mutants.
VIP5 and VIP6 were cloned through mapping and transcriptional profiling. Both proteins are closely related to distinct components of budding yeast Paf1C, a transcription factor that assists in establishment and/or maintenance of transcription-promotive chromatin modifications. Loss of function of VIP5 and VIP6 resulted in downregulation of FLC/MAF MADS-domain gene family. The results suggest that an evolutionary conserved transcriptional mechanism plays an essential role in the floral transition.
Finally, I explored the mechanism of VIP proteins in transcription by characterizing the effects of loss of VIP genes on histone modifications, Pol II distribution, and phosphorylation of carboxyl-terminal domain (CTD) of Pol II. VIP proteins are required for chromatin modifications in a locus-specific manner, recruitment of Pol II, and dephosphorylation of CTD, suggesting a significant role of VIP in Pol H-mediated transcription. ACKNOWLEDGMENTS I would like to acknowledge people for helping me during my doctoral work. First, I would like to especially and sincerely thank my advisor, Dr.
Steven van Nocker for his guidance, encouragement, and support at all levels. I would also like to thank my committee members Dr. Zach Burton, Dr. Rebecca Grumet, Dr.
Jim Hancock and Dr. Amy lezzoni for their continual encouragement and offering constructive comments. I would like to thank colleagues in van Nocker laboratory, including Sunchung Park, Hua Zhang, Philip Ludwig, Lingxia Sun, Ying Yan, and Julissa Ek-Ramos. Finally, I would like to thank my family for their life-long love and encouragement.
I am especially grateful to my husband, Sunchung, for his support. iv TABLE OF CONTENTS LIST OF TABLES. Vili LIST OF FIGURES. ix CHAPTER I: LITERATURE REV HE Y.
Phase change in plants 07. Plants produce wood through secondary growth. Hormones and wounding have positive effects on wood formation. Wood bioSynnth€SIS.
óc TH ng ng TH TT TH Tàn TH 00 001 0g 7 2. Model systems for studying wood formatiOT. Functional genomic approaches to wood formation .cscseecssetseeeeeeeeeeenees 10 P9 on nh. 12 ENjiovrI0svc ii.
Cellular memory and chromatin Structure. Molecular and epigenetic mechanisms mediating vernalization. HH TH ng TH ng HH TT T000 27 li. 28 CHAPTER II: Transcriptional Regulation of Secondary Growth in Arabidopsis HA Í[(HHÁ.
co cọ H1 T9 HN HN 00100 1000400009000400800000009180000091600800086 41 ÂU 2n hố. HT HT HH Hà TT TH TH TT n0 0018130 43 Materials and Methods.- HH HH HT TT Hà Hà tà TH TT ng 1á xe 45 Plant growth and treatment for wood formation in Arabidopsis .- 45 RNA extraction and CDNA synthesis. sóng HH HH tre 46 39/2034: 700ẺẺẼ0Ẻ7Ẻ78e. 47 GeneChip array hybr1d1zafiOT.
-- c1 11911111 111 111g Hà HH nh HH Hy 47 Datta analySis 000Ẽ8ẼẺẼ886. 48 Northern blot analysis of selected R2R3-type MYB genes. 49 Analysis of cis-regulatory elements.ccccesccecscesscssscesecesneecsatestaeseateesetessateeneoes 50 Results and D1SCUSSIOTI. Q19 9T g9 1 HH TT ng kg 51 Secondary xylem formation in ArabidOpsis.
Ăn HH HH Hệ, 51 Differential gene expression in treatment stem, bark and xylem. - «nh HT ng HH Hàn H00 010011111 1101111010111101710 59 Cell wall synthesis. án” TT HH TT HH 1 T11 11 01018101007 60 fan) 7e. 64 Transcriptional regulation of secondary xylem formatiOn.
- 2c ccecceeee 65 Identification of regulatory cis-elements for secondary growth. cscsesesessecsserersecseesseseesecenessassesssssesssssasssssesessasesecsesssessesaeensesseseesseseresneges 78 CHAPTER III: A Mechanism Related to the Yeast Transcriptional Regulator Paf1C Is Required for Expression of the Arabidopsis FLC/MAF MADS Box Gene Familly. ee ececessesesesseseesessecsseseesssasseesensesseeesussessesasscsscessussceecsessessesssensessesseaeees 86 Materials and MethOs.- LH ng HH Tu nu THẾ 89 Plant and Yeast Material and ManipulatiO'iS. sáng 89 Cloning Of VIPG wo.
cecccscsscesscesecssecscceseeeaceseceessseesesesessscsasenssonaesseseesesseeensseaeessaseeen 90 Molecular T'echniQU€S.-- ‹ c1 9T ng ng gu ng 90 šg0)⁄0. c1 9v TT TH nh nọ TH HH HH 92 Rss0i5;1020ir1A4- 0 0ẺẼ 18. 93 Microarray ATiAÌYSIS. ch HH HT TT nọ TH ng gu HH HH 94 TT.
95 VIP5 and VIP6 Function in Concert with VIP3 and WÏP4. sex 95 VIPS and VIP6 Participate in the Regulation of a Heterogeneous Subset of Genes Including Other Members of the FLC/MAF Gene Family .cccsessscesesesesereeeeeees 96 VIP6 Encodes a Plant Homolog of the Paf1C Component Ctr9. --- ‹+- 103 The VIP6 Protein Physically Interacts with VIP3 and VIP4 in Vivo. 109 VIP5 Encodes an Additional Paf1C Subunit Homolog.- -¿- 5-5555: 113 VIP Genes Are Not Required for Global Methylation of Histone H3.
115 The VIP Genes Have a Central Role in Flowering through Activation of the FLC/MAF Gene FamlÏy. nàng HH ng 0010101 k1 010111 HH. 115 VIP5 and VIP6 Define Important Pleiotropic Regulators of Developmert. 118 The VIP Genes Cooperatively Regulate Gene Expression through a Mechanism Related to the Yeast Transcriptional Regulator Paf1C 0.ccssssessersesersesesseeenees 119 9x NA ốm.
125 CHAPTER IV: Global and Locus-Specific Roles for Arabidopsis PafÍC Homologs in Transcription and Chromatin Modifications —¬. G1 ng HH TT TT TH TT Cu no TT gu ng eg 132 Materials and Methods.- -ó- 0 Án TH ng HH ng HH ng ng 136 Plant Materials .- G ch TT TT nu TH HT ng ng cung 136 Isolation of histones .ccssccsessesssscsssssescsscsssscssssesscescsecscescsevscsseeseeaseaecssenseaceasaces 136 vi ˆ9ìiïis (1>.- cv 9T 9T HT TH nh gu ng nàn 137 Electrophoresis and ImmunoblÏOffIngE. «s2 HH Hư 138 Chromatin Immunoprecipitation (CÍP).- ác HH HH HH Hiệu 138 RESUS. 139 VIP3 is not required for global modification of either canonical or variant histone 6.
139 VIP3 is required for H3 methylation in a locus-specific manner.-- -- 140 Mutation of VIP3 is associated with a reduction of Pol If on FLC chromatin. 143 VIP genes are required for modification of CTD of Pol ÏT. HH HT HT HT TT TT TT TT HH TH HH TT TT ch tưng nh 152 CHAPTER V: Perspectives and Future DireCfÏOTS.cscsĂcsĂSSSSSSASessessesee 156 - VỊP complex is required for histone H3 methylation in a locus-specific manner. 157 VIP3 may be a higher eukaryote-specific component of Paf1 C.
--- +2 158 VIP complex is required for Ser-2 and Ser-5 phosphorylation of CTD of Pol H. 164 APPENDIX A: Protocol for extraction of hisfOnS.o-os 525516565555 168 APPENDIX B: Primers for ChIP analysis .cccscssosssesesesssesesssscsssessessssessesseessees 170 APPENDIX C: Protocol for ChIP analysis `. 172 vii LIST OF TABLES Table 2-1. Expression patterns of selected xylogenesis-related genes.
Regulatory cis-element motifs identified from the promoter regions of the genes up-regulated in wood-forming SteMS 0. cece - ch HH Hà Hàn th HH 77 Table 4-1. Partial list of genes down-regulated in both the vip5 and vip6 mutants, relative tO 0): 111. List of primers and S€qU€TC€S.
6 n1 11111 11911811 11191 1 1 ng nh 171 vii LIST OE EIGURES Figure 1-1. Organization of the primary and secondary vascular tissues in Arabidopsis SCheMatically. cs cecsccscssccscsecssseeescceeceseescesecsecscceseeeesesseeeeesssseeseseseeseeseseesseeeaseneeesesseseseeaees 4 Figure 1-2. Flowering time control in Arabidopsis.
Maintenance of active and repressed states of FLC transcription by chromatin „0919514150002. Cross-sections of control and treatment stems of Arabidopsis thaliana. Venn diagram showing up-regulated (22-fold) genes in control and treatment stems, xylem, and bark from the Arabidopsis Genome array analyses. Functional classification of the up-regulated genes in control and treatment Stems, bark and xylem.
R2R3-type MYB transcription factor genes up-regulated in xylem (A) or bark 0 ố ố ốốốố. Northern blot analysis of selected R2R3-type MYB genes that were highly up-regulated in xylem (MYB59 and MYB48) or bark (Ä4YB13). 5 sec cscerseseee 69 Figure 2-6. Phylogenetic tree of homeodomain (HD) genes.
Hierarchical clustering of differentially regulated genes and selection of xylem (Group I) and bark (Group II) up-regulated genes. Flowering Time of vip3, vip4, vip5, and vip6 Single and Double Mutants. Characteristics of Microarray Data Derived from fle, vip5, and vip6 Mutants. Expression of the FLC-Related MAF Genes in flc, vip5, and vip6 Mutants.
Map Position, Structure, and Expression of the VIP6 Gene and Protein. Analysis of VIP6 mRNA and Protein Abundance in Various Genetic Backgrounds and in Response to Vernalization. Coimmunoprecipitation of VIP3, VIP4, VIP5, and VIP6 in Vivo. Structure and Expression Of ƒ/ÏPŠ.
Immunoblot Analysis of Histone H3 Methylation in Strong vip3, vip4, vip5, and vip6 Mutants, the flc-3 Null Mutant, and the Col Ecotype. VIP3 is not required for global modification of either canonical or variant II) 0:06. VIP3 is required for histone H3 methylation in a locus-specific manner. VIP-FLAG proteins do not appear to coprecipitate with Pol II.
VIP genes are required for modification of the CTD of Pol II. The phosphorylation cycle of the CTD of Pol TH. --- c5 +s«c<<ccs<ss+ 162 CHAPTER I LITERATURE REVIEW 1. Phase change in plants During their life cycle, plants go through a succession of developmental phases distinguished from one another by various morphological, physiological, and biochemical traits, and the phenomenon is so-called phase change (Brink, 1962).
The phase changes begin with seed germination, and progress generally through juvenility, maturity, and flowering. The changes are associated with competence of the meristems (a tissue populated by actively dividing and undifferentiated cells) responding to internal and external developmental cues (Bernier, 1981; Steeves and Sussex, 1989). Understanding the mechanisms by which developmental phase changes are regulated will be a perpetual question throughout plant biology because they are controlled by myriad signal transduction pathways. The most obvious example of phase change is the transition from vegetative to reproductive development when leaf development is arrested and meristems are differentiated as flowers (Poethig, 1990).
Although the floral transition has been extensively studied, and as a result, many components of flowering pathways have been identified and characterized, the biochemical roles of them in cellular heredity during floral transition are less studied. Another example of phase change is the transition from primary to secondary growth responsible for lateral growth in most tree species, and the study of molecular mechanism for secondary growth is very limited despite its economical and ecological significance.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Sookyung Oh (2006). Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation [Luận án tiến sĩ, Michigan State University]. LuanAn.net. https://luanan.net/sinh-hoc/cong-nghe-sinh-hoc/phase-changes-plant-development-floral-transition-secondary-xylem
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án tiến sĩ nghiên cứu giai đoạn phát triển thực vật, chuyển đổi hoa và hình thành gỗ. Sử dụng genomics chức năng để xác định gene điều hòa và cơ chế phân tử.
Luận án "Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Michigan State University. Năm bảo vệ: 2006.
Luận án "Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation" thuộc chuyên ngành Plant Breeding and Genetics. Danh mục: Công Nghệ Sinh Học.
Luận án "Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation" có bao nhiêu trang?
Luận án "Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation" có 186 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Phase changes in plant development: floral transition and secondary xylem formation" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.