title: Transposable element control in the shoot apical meristem stem cells
Creators: name: Nguyen, Vu Hoang
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Die Stammzellen in den Sprossapikalmeristemen der Pflanzen spielen eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von oberirdischen Organen, einschließlich der Blüten, die männliche und weibliche Gameten enthalten. Daher ist es notwendig, das Genom von diesen Stammzellen vor Mutationen und genomischen Parasiten, nämlich transponierbaren Elementen (TEs) und Viren, zu schützen. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana werden beide Arten von genomischen Parasiten durch epigenetische Mechanismen kontrolliert. Im Vorfeld dieser Arbeit wurde festgestellt, dass zwei ARGONAUTE-Proteine, AGO5 und AGO9, in Stammzellen während verschiedener Entwicklungsstadien stark exprimiert werden. Durch RNA-Immunpräzipitation von GFP-markierten AGO5 und AGO9 in den jeweiligen Mutanten und Sequenzierung der assoziierten sRNAs konnte ich feststellen, dass die sRNAs, mit denen AGO5 und AGO9 beladen sind, bestimmte Längen und bevorzugte 5'-Basen haben und dass sie hauptsächlich von TEs stammen. Das Fehlen von AGO5 in mutierten Pflanzen resultiert in einer Reduktion der DNA-Methylierung an TEs, was darauf hindeutet, dass zumindest AGO5 die Keimbahn vor TE-Aktivierung schützen könnte. sRNAs spielen auch eine Rolle bei der pflanzlichen Abwehr von Viren, und auch hier sind die Stammzellen im Meristem ein wichtiger Ort, da die vertikale Übertragung von Viren über die Fortpflanzungsorgane auf die Nachkommenschaft weit verbreitete Krankheiten verursachen kann, insbesondere bei Nutzpflanzen. Pflanzen nutzen RNA-Interferenz (RNAi), um die Verbreitung von Viren in Meristeme zu beschränken. Um die Mechanismen des Ausschlusses einer Virusinfektion im Meristem besser zu verstehen, haben meine Co-Autor:innen und ich die Kernkomponenten der RNAi-Mechanismen und ihre Verbindung zur Salizylsäure (SA) untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass SA und RNA-abhängige RNA-Polymerase 1 (RDR1) die Invasion von Turnip Mosaic Virus (TuMV) in Stammzellen verhindern. Die Ergebnisse erweitern unser Verständnis für die Immunität von Stammzellen gegen bestimmte Viren. Neben genetischen und epigenetischen Komponenten, die die Abwehr genetischer Parasiten bestimmen, können auch Umweltbedingungen in die Kontrollmechanismen eingreifen. Hitzestress löst in Pflanzen weitreichende Reaktionen aus, darunter Veränderungen in der Genexpression und Aktivierung von TEs. Um die Stammzellreaktion auf Hitze zu untersuchen, nutzte ich fluoreszenz-aktivierte Kernsortierung, um die Transkripte in Stammzellen und Nicht-Stammzellen des Wildtyps und zweier Mutanten mit Defiziten in der DNA-Methylierung zu analysieren. Meine Kolleg:innen und ich fanden heraus, dass Stammzellen im Gegensatz zu Nicht-Stammzellen der Aufrechterhaltung von Entwicklungsprozessen Vorrang vor hitze-aktivierten Signalwegen einräumen. Außerdem erholen sich DNA-methylierungsdefekte Mutanten nur schlecht vom Hitzestress und exprimieren weiterhin Hitzeschockfaktoren und hitzeinduzierbare TEs. Hitze führt auch zu Hunderten von differenziell methylierten Regionen (DMRs) in Stammzellen. Diese könnten sich möglicherweise auf die Expression von Genen und TEs nach mehreren Generationen von Stress auswirken. Zusammengenommen tragen diese Ergebnisse zu unserem Verständnis der Keimbahn in Pflanzen bei und unterstreichen die Bedeutung der Zelltypanalyse bei der Untersuchung abiotischer und biotischer Reaktionen.
description: The stem cells in the shoot apical meristems (SAMs) produce all post-embryonic above-ground tissues, including the reproductive organs containing male and female gametes. Hence, they are essential for development and gamete formation, and plants need to protect their genomic integrity from mutations and genomic parasites, namely transposable elements (TEs) and viruses. In the model plant Arabidopsis thaliana, both types of genomic parasites are controlled by epigenetic mechanisms. Preceding the work for this thesis, two ARGONAUTE (AGO) proteins, AGO5 and AGO9, were found to be expressed specifically in stem cells during different stages of development. Through RNA-immunoprecipitation of GFP-tagged AGO5 and AGO9 in the respective mutant backgrounds and sequencing of the associated sRNAs, I determined the length, 5 prime bias, and genomic origin of sRNAs loaded onto AGO5 and AGO9. AGO5- and AGO9-bound sRNAs are mainly derived from long heterochromatic TEs. Furthermore, the absence of AGO5 reduces DNA methylation at TEs, implying that at least AGO5 defends the germ track from TE amplification. sRNAs also play a role in the plant defense against viruses, and the ability to maintain virus-free SAM stem cells might be crucial for recovery and prevention of vertical virus transmission. Plants use RNA interference (RNAi) to restrict the spread of the virus in somatic tissue and stem cells. To better understand the mechanisms of exclusion of virus infection in the meristem, my co-authors and I studied core components of RNAi mechanisms and their connection to salicylic acid (SA). Our findings show that SA and RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 1 (RDR1) prevent the invasion of Turnip mosaic virus (TuMV) into stem cells and are necessary for plant recovery and seed production. Besides genetic and epigenetic components determining the defense against genetic parasites, environmental conditions can interfere with control mechanisms. For example, heat stress elicits widespread responses in plants, including changes in gene expression, chromatin compaction, and activation of TEs. To investigate the stem cell-specific response to heat, I utilized fluorescence-activated nuclei sorting (FANS) to analyze transcripts in stem cells and non-stem cells in the wild-type and two mutants deficient in DNA methylation. My colleagues and I found that, unlike non-stem cells, stem cells prioritize the maintenance of developmental processes over heat-responsive pathways. Furthermore, DNA methylation-deficient mutants are impaired in recovery from heat stress and continue to express heat shock factors and heat-inducible TEs. Heat also gives rise to hundreds of differentially methylated regions (DMRs) in stem cells. These could impact gene and TE expression in subsequent non-stressed generations. Taken together, these findings add to our understanding of abiotic stress responses of SAM stem cells and emphasize the significance of cell type analysis when examining stress responses during plant development.