Transcriptional and proteomic responses towards early nitrogen depletion in Arabidopsis thaliana

Plant roots acquire nitrogen predominantly as ammonium and nitrate, which besides serving as nutrients, also have signaling roles. Re-addition of nitrate to starved plants rapidly and di-rectly transcriptionally re-programs the metabolism and induces root architectural changes, but the earliest responses to nitrogen deprivation are unknown. In this thesis, the early transcriptional response of developed roots to nitrate or ammonium deprivation were analyzed in two Arabidopsis ecotypes contrasting in their nitrogen use efficiency: the inefficient genotype Col-0 and the efficient Tsu-0. The rapid transcriptional repression of known nitrate-induced genes proceeded the tissue NO3- concentration drop, with the transcription factor genes LBD37/38 and HRS1/HHO1 among those with earliest significant change. Some transcripts were stabilized by nitrate, but similar rapid transcriptional repression occurred in loss-of-function mutants of the nitrate response factor NLP7. In contrast, an early transcriptional response to ammonium deprivation was almost completely absent. In Col-0, the analysis was extended with the proteome and phospho-proteome resulting in a rapid and transient perturbation of the proteome induced by ammonium deprivation and a differential phosphorylation pattern in proteins involved in adjusting the pH and cation homeostasis, plasma membrane H+, NH4+, K+ and water fluxes. Fewer differential phosphorylation patterns in transporters, kinases and other proteins occurred with nitrate deprivation. The deprivation responses are not just opposite to the resupply responses, identify NO3--deprivation induced mRNA decay and signaling candidates potentially reporting the external nitrate status to the cell. Transcrip-tome comparison revealed only few N-nutrition related genes between both ecotypes contributing the increased NUE of Tsu-0, which probably relies on higher biomass accumulation. Besides, Tsu-0 confirmed the transcriptional depletion response of Col-0. Pflanzen nehmen Stickstoff vorwiegend in Form von Ammonium und Nitrat auf. Neben Nahrstoffen fungieren diese auch als Signalstoffe. Wenn nach Mangel Pflanzen wieder mit Nitrat versorgt werden, wird der Stoffwechsel direkt und innerhalb kurzester Zeit umprogrammiert und die Wurzelarchitektur verandert. Die fruhesten Reaktionen einer Pflanze auf Stickstoffmangel sind jedoch unbekannt. In dieser Arbeit wurden die fruhesten transkriptionellen Reaktionen von voll entwickelten Wurzeln gegenuber Ammonium und Nitratmangel in zwei Arabidopsis-Okotypen untersucht, die sich in ihrer Stickstoffnutzungseffizienz unterscheiden: dem ineffizienten Genotyp Col-0 und dem effizienten Tsu-0. Die schnelle transkriptionelle Repression bekannter nitratinduzierter Gene, darunter die Transkriptionsfaktoren LBD37/38 und HRS1/HHO1 mit den fruhesten signifikanten Veranderungen, gingen mit dem Absinken des Nitratgehalts im Gewebe einher. Manche Transkripte wurden durch Nitrat stabilisiert, aber eine ahnlich schnelle Repression trat in auch Funktionsverlustmutanten des bekannten Tran-skriptionsfaktors NLP7 der Nitrat-Antwort auf. Gegenuber Ammoniumentzug fehlte eine fruhe Mangelantwort hingegen nahezu vollstandig. In Col-0 wurde die Analyse um das Proteom und Phosphoproteom erweitert. Eine schnelle, jedoch transiente Veranderung des Proteoms wurde durch Ammoniummangel ausgelost. Zudem wurden differentielle Phosphorylierungen in Proteinen festgestellt, die an der Regulation des pH- und des Kationengleichgewichts, sowie dem Austausch von H+, NH4+, K+ und Wasser durch die Plasmamembran beteiligt sind. Mit Nitratmangel traten weniger differentielle Phosphorylierungen auf, hauptsachlich in Transportern, Kinasen und anderen Proteinen. Die Nitratmangelantwort entspricht nicht einfach der gegenteiligen Nitratantwort. Moglicherweise ubertragen mangelinduzierter mRNA-Abbau und potenzielle Signalproteine den externen Stickstoffstatus in die Zelle weiter. Der Vergleich der Transkriptome zwischen Col-0 und Tsu-0 ergab nur wenige differentiell exprimierte stickstoff-relevante Gene, welche zur hoheren Stickstoffnutzungseffizienz von Tsu-0 beitragen konnten. Diese ist vermutlich auf hohere Biomassebildung zuruckzufuhren. Anhand der von Tsu-0 gewonnenen Transkriptomdaten wurden zudem die Stickstoffmangelantworten von Col-0 bestatigt.