title: Transcriptional requirements and diversifications in early embryos of Arabidopsis thaliana
Creators: name: Kao, Ping
Publisher: name: :none
Year: 2021

description: Die Embryogenese ist ein grundlegender Entwicklungsprozess, der allen Eukaryoten gemeinsam ist, die sexuelle Fortpflanzung betreiben. Aufgrund technischer Schwierigkeiten ist unser Wissen über die Regulationsmechanismen während der Embryogenese bei blühenden Pflanzen im Ver-gleich zu Tieren begrenzt. In der tierischen Embryogenese ist eine entscheidende Periode, die als maternal-to-zygotischer Übergang bekannt ist und aus der Eliminierung der mütterlichen geneti-schen Produkte und der Aktivierung des zygotischen Genoms besteht, für die Zellspezifikation erforderlich. Während der maternale-zu-zygotische Übergang bei mehreren Arten beobachtet wird, scheinen der Zeitpunkt, das Ausmaß und die zugrundeliegenden Mechanismen zwischen den Arten zu variieren. Obwohl ähnliche Vorgänge bei Blütenpflanzen berichtet wurden, ist es riskant anzunehmen, dass irgendein Mechanismus zwischen den beiden Königreichen konser-viert ist. In der eudikotylen Modellpflanze Arabidopsis thaliana sind der Zeitpunkt und das Ausmaß der zygotischen Genomaktivierung seit einem Jahrzehnt umstritten und wurden erst durch eine aktuelle Transkriptomstudie geklärt. Obwohl transkriptionelle Veränderungen oft mit Entwicklungsprozessen gekoppelt sind, gab es bisher keine genomweiten Hinweise auf die Not-wendigkeit einer aktiven Transkription in der frühen Embryogenese. Andererseits ist die Aufde-ckung der verschiedenen Genexpressionsprofile von grundlegender Bedeutung für das Ver-ständnis der Bildung der Körperachsen des Embryos und der Zellspezifikationsmechanismen. Mehrere Studien haben die Transkriptomdynamik entlang der Entwicklungsstadien aufgedeckt, aber ein umfassender Genexpressionsatlas für verschiedene embryonale Zelltypen ist noch er-forderlich. In dieser Arbeit untersuche ich die Anforderungen und Diversifikationen der Genexpression während der frühen Embryogenese in Arabidopsis thaliana. Die Visualisierung aktiver Tran-skriptionsmarker mit Expansionsmikroskopie liefert zytologische Beweise für global aktive Transkription in Zygoten. Live-Cell-Imaging an sich entwickelnden Samen, die mit Transkripti-onsinhibitoren kultiviert wurden, liefert physiologische Hinweise darauf, dass aktive Transkrip-tion in Zygoten vor der asymmetrischen Zellteilung erforderlich ist. Diese Beobachtungen stim-men mit den kürzlich berichteten globalen Transkriptomveränderungen nach der Befruchtung überein und weisen darauf hin, dass eine aktive Transkription bereits zu Beginn der Embryoge-nese erforderlich ist. Zusätzlich zeigen embryonale Methylome aus einer Entwicklungszeitreihe die Cytosin-Methylierungsdynamik auf Euchromatin und Heterochromatin transponierbaren Elementen. Die Visualisierung der zygotischen Kerne zeigt die Dekondensation des Hete-rochromatins nach der Befruchtung und deutet auf die Produktion von 24-nt siRNA hin, die zur Cytosin-Methylierung beiträgt. Andererseits liefern die Einzelkern-RNA-seq-Bibliotheken kon-taminationsfreie embryonale zelltypspezifische Transkriptome. Die Untersuchung der Expressi-onsdynamik epigenetischer Regulatoren über embryonale Zelltypen hinweg offenbart die linien-spezifischen Expressionsmuster und lässt auf hypomethylierte Suspensor-Genome schließen. Analysen von Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen zeigen eine Anreicherung von Transkripti-onsfaktoren, die möglicherweise an der Funktion oder Spezifikation einzelner Zelltypen beteiligt sind. Die zelltypspezifischen Genexpressionen könnten als Eckpfeiler für Studien zur Embryo-genese dienen, und die von mir eingeführten Techniken zur Überwindung der technischen Bar-rieren würden den Werkzeugkasten für Pflanzenbiologen erweitern
description: Embryogenesis is a fundamental developmental process common to eukaryotes conducting sexual reproduction. Due to technical difficulties, our knowledge of the regulatory mechanisms during embryogenesis in flowering plants is limited compared to animals. In animal embryogenesis, a crucial period known as maternal-to-zygotic transition consisting of elimination of maternal genetic products and zygotic genome activation is required for cell specification. While maternal-to-zygotic transition is observed in multiple species, the timing, scale and the underlying mechanisms seem to vary among species. Although similar events have been reported in flowering plants, it is risky to assume any mechanism is conserved between the two kingdoms. In the model eudicots Arabidopsis thaliana, the timing and the scale of zygotic genome activation have been under debate for the past decade and was only resolved by a recent transcriptome study. Although transcriptional changes are often coupled with developmental processes, there has yet been genome-wide evidence indicating the requirement of active transcription in early embryogenesis. On the other hand, revealing the diverse gene expression profiles is fundamental to understanding the embryo body axes formation and cell specification mechanisms. Several studies revealed transcriptome dynamics along developmental stages, but a comprehensive gene expression atlas for various embryonic cell types is still required. In this thesis, I investigate the requirements and diversifications of gene expression during early embryogenesis in Arabidopsis thaliana. Visualization of active transcription markers with expansion microscopy provides cytological evidence for globally active transcription in zygotes. Live-cell imaging on developing seed cultured with transcriptional inhibitors provides physiological evidence indicating active transcription is required in zygotes before the asymmetric cell division. These observations are consistent with the recently reported global post-fertilization transcriptome changes and indicates active transcription is required at the very beginning of embryogenesis. In addition, embryonic methylomes from a developmental time series reveal the cytosine methylation dynamics on euchromatin and heterochromatin transposable elements. Visualization of zygotic nuclei shows post-fertilization heterochromatin decondensation and suggests the production of 24-nt siRNA contributing to cytosine methylation. On the other hand, the single nucleus RNA-seq libraries provide contamination-free embryonic cell-type specific transcriptomes. Examining the expression dynamics of epigenetic regulators across embryonic cell types reveals the lineage-specific expression patterns and suggests hypomethylated suspensor genomes. Transcription factor binding site analyses reveal enriched transcription factors which may involve in the function or specification of individual cell types. The cell type-specific gene expressions could serve as a cornerstone for embryogenesis studies, and techniques I introduced to overcome the technical barriers would expand the toolkits for plant biologists