A network of heterodimerising C/S1 AtbZIP transcription factors and its function in senescence, stress response and seed development

Transkriptionsfaktoren der bZIP (basic region leucine zipper) Familie kommen in allen bisher analysierten eukaryotischen Organismen vor. Eine besondere Eigenschaft von Transkriptionsfaktoren dieser Gruppe ist, dass sie als Dimere an DNA binden, wobei einige bZIP-Transkriptionsfaktoren spezifische Heterodimere mit anderen bZIP-Transkriptionsfaktoren bilden können. Im Rahmen dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass in dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana die bZIP-Transkriptionsfaktoren der Gruppe C (AtbZIP9, 10, 25 und 63) mit den bZIP-Faktoren der Gruppe S1 (AtbZIP1, 2, 11, 44 und 53) spezifische Heterodimere formen. Um die Funktion dieses Heterodimerisierungsnetzwerkes zu verstehen, wurden die Expressionsmuster der AtbZIP-Transkriptionsfaktoren mit Hilfe von Promotor-GUS Fusion, Northern Analysen und Daten aus Mikroarray-Datenbanken analysiert. Dabei zeigte sich, dass die Expression der AtbZIP-Gene vor allem durch die Zucker Glukose und Saccharose und durch Seneszenz, aber auch durch Stresse wie Osmolarität oder Salzstress reguliert wird. Zusätzlich fanden sich Gewebe-spezifische Expressionsmuster, z.B. in den Pollen oder Samen. Für die funktionelle Charakterisierung der bZIP-Transkriptionsfaktoren wurden Überexpressions-Pflanzen und T-DNA Insertionsmutanten erzeugt. Durch Transkriptomanalysen dieser Pflanzen mit Hilfe von Mikroarrays wurden mögliche Zielgene von AtbZIP1 und AtbZIP53 identifiziert. Ektopische Überexpression von AtbZIP1 oder AtbZIP53 (35S:AtbZIP1 und 35S:AtbZIP53) führte zur Aktivierung von Samenspeicherprotein-Genen, Pollenspezifischen Genen sowie Seneszenz-assoziierten Genen. Unter diesen Genen waren vermehrt Gene des Aminosäure-Metabolismus, und für zwei von ihnen, ein Prolin- Dehydrogenase Gen (ProDH) und ein Asparagin Synthetase Gen (ASN1), wurde mittels Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) gezeigt, dass es sich um direkte Zielgene von AtbZIP53 handelt. Für die ProDH konnte in transienten Protoplasten-Assays gezeigt werden, dass AtbZIP53 alleine in der Lage ist den Promotor zu aktivieren, dass jedoch eine Koexpression mit Gruppe C Faktoren zu einer weiter verstärkten Aktivierung führt, was die Bedeutung der Heterodimerisierung in Pflanzen belegt. In einer phänotypischen Charakterisierung zeigten 35S:AtbZIP53 Pflanzen eine erhöhte Salzresistenz. Zudem konnte gezeigt werden, dass AtbZIP53 die Expression von Genen der Samenreifung vermittelt. Während dieser Phase bilden die Samen ihre Austrocknungstoleranz aus, ein Prozess der Parallelen zur Ausbildung von Salzresistenz zeigt. Für 35S:AtbZIP1 Pflanzen konnte ein früheres Eintreten in eine Dunkel-induzierte Seneszenz gezeigt werden, das sich wahrscheinlich auf die in diesen Pflanzen verstärkt exprimierten Seneszenz-assoziierten Gene zurückführen lässt. Die in dieser Arbeit gezeigte deutliche Repression von AtbZIP1 durch Zucker hat wahrscheinlich die Funktion, das Einsetzen der Dunkel-induzierten Seneszenz zu verhindern, solange die Zellen noch über ausreichende Energie-Reserven verfügen.Da AtbZIP-Transkriptionsfaktoren der Gruppen C und S1 stark durch Zucker, aber auch durch Stresse und entwicklungsbiologische Signale reguliert werden, und die Mehrheit der identifizierten putativen Zielgene Enzyme des Metabolismus kodieren, wird die Hypothese aufgestellt, dass C/S1 Heterodimere eine komplexe, auf der einen Seite von der Verfügbarkeit von Zuckern, auf der anderen Seite von Stressen und entwicklungsbiologischen Signalen abhängige Regulation des Metabolismus vermitteln.Transcription factors of the bZIP (basic region - leucine zipper) family occur in all eukaryotic organisms analyzed so far. bZIP transcription factors bind DNA as dimers, whereby some bZIP transcription factors can form specific heterodimers with other bZIP transcription factors. In this thesis it is shown that in the model organism Arabidopsis thaliana the bZIP transcription factors of group of C (AtbZIP9, 10, 25 and 63) form specific heterodimers with bZIP factors of the group S1 (AtbZIP1, 2, 11, 44 and 53). In order to understand the function of this heterodimerisation network, the expression patterns of group C/S1 AtbZIP transcription factors were analyzed by promoter-GUS fusions, Northern analyses and electronic Northern. The results show that the Expression of the AtbZIP genes is adjusted particularly by the sugars glucose and sucrose and by senescence, and in addition, by osmotic or salt stress. Additionally, tissue-specific expression patterns, e.g. in the pollen or seeds, were shown. For the functional characterisation of the bZIP transcription factors overexpressing plants and T-DNA insertion mutants were produced and characterised. By transcriptome analyses of these plants possible target genes were identified. Ectopic expression of AtbZIP1 or AtbZIP53 led to the activation of seed storage protein genes, pollen-specific genes as well as senescence associated genes. Additionally, genes encoding enzymes of the amino acid metabolism were also activated, and for two of them, a Proline Dehydrogenase (ProDH) gene and an Asparagine Synthetase (ASN1) gene, it was shown that they are direct target genes of AtbZIP53 by means of Chromatin Immuno-Precipitation. In transient Protoplast Assays it was shown that AtbZIP53 can mediate a weak activation via an ACTCAT motive from the ProDH-promoter, while a co-expression of AtbZIP53 with group C factors leads to a far stronger activation. This stresses the imp ortance of the heterodimerisation in plants. The phenotypic characterisation revealed an increased salt tolerance of 35S:AtbZIP53 plants and a faster progression of dark induced senescence in 35S:AtbZIP1 plants. The clear repression of AtbZIP1 by sugars, shown in this work, has probably the function to prevent senescence processes as long as the cells have sufficient energy reserves.Since AtbZIP transcription factors of the groups of C and S1 are adjusted strongly by sugars as well as by stress- and developmental signals, and several of the identified putative target genes encode enzymes of the metabolism, the hypothesis was formulated that C/S1 heterodimers form a complex network that integrates sugar-signalling with stress- or developmental signals to mediate an adapted control of metabolism