Molecular phenotyping of natural accessions of Arabidopsis thaliana

Die Grundlagenforschung in biologischen Modellorganismen wie dem ephemeren Kreuzblütler Arabidopsis thaliana hat durch die Anwendung moderner molekularbiologischer Techniken und dank der Bereitstellung genetischer Ressourcen seit der Jahrtausendwende eine Vielzahl an Erkenntnissen über die Biologie von Organismen geliefert. Vor allem im Bereich der Genetik haben Sequenziertechnologien der nächsten Generation Anzahl, Umfang und Verlässlichkeit genetischer Studien auf eine neue Ebene gehoben. Dabei wurde unter anderem deutlich, dass die genetische Vielfalt innerhalb einer Art als Erklärungsansatz einer umfangreichen Palette an phenologischen und morphologischen Merkmalen dienen kann. Durch die Entwicklung und Verbesserung von chromatographie- und massenspektrometriebasierter Analytik haben wissenschaftliche Studien in letzter Zeit auch immer mehr den molekularen Phenotyp zu erfassen versucht. Speziell Metabolite und Proteine sind dabei von großem Interesse, da sie wichtige Teile von biochemischen Netzwerken sind. Durch die immer bessere Skalierbarkeit der involvierten Analytik etwa bezüglich der Anzahl an erfassten Variablen und Probendurchsatz, sind Metabolomics und Proteomics ein wichtiger Teil im Bereich der funktionellen Genomik geworden und liegen den modernen Ansätzen der Systembiologie zu Grunde. Dabei wird versucht, durch die Beschreibung und Vernetzung möglichst vieler Aspekte eines biologischen Systems das Verhalten des jeweiligen Systems mit Bezug auf bestimmte Reize wie etwa Variation der Wachstumsbedingungen zu erfassen und im Idealfall vorauszusagen. In diesem Zusammenhang habe ich zwei Arabidopsis thaliana Akzessionen mit variabler Frosttoleranz in ihrer Kälteakklimatisierung verglichen. Dabei konnte ich Unterschiede zwischen der kältetoleranten und der kältesensitiven Linie etwa in der Stärkemobilisierung aufzeigen. Um die Interpretierbarkeit solcher Studien zu erleichtern wurde ein graphentheoretischer Ansatz entwickelt, der die Änderung im Verhältnis der zweiten und ersten Ableitung nach der Zeit von interpolierten Splines der Metabolitzeitserien als Indikator für eine Änderung der Stoffwechselregulation heranzieht. Das Problem bei Studien, die in kontrollierten Wachstumsbedingungen durchgeführt werden, ist jedoch die Tatsache, dass eine Überlagerung von verschiedenen Stressfaktoren, wie sie im natürlichen Habitat regelmäßig vorkommen, oft zu einem unerwarteten Verhalten des untersuchten Systems führen kann. Daher habe ich einen Ansatz entwickelt, der die molekulare Charakterisierung von Pflanzenproben aus dem natürlichen Habitat ermöglicht um dann gezielte Folgeuntersuchungen anstellen zu können.During the last decade, natural variation of the genetic model plant Arabidopsis thaliana has been intensively reviewed and discussed in context of many aspects of plant biological research. While numerous studies have analyzed and improved significantly our understanding of genotypic diversity, deriving explicit causal knowledge of molecular mechanisms leading to adaptation and phenotypic plasticity in a natural environment is still challenging. Due to a high degree of variation in plasticity patterns within and among populations as well as the high complexity of plant biochemical systems it is demanding to unambiguously trace back molecular processes resulting in a certain phenotype. Numerous studies have focused on the genetic background of natural variation in Arabidopsis thaliana and could successfully identify sets of marker genes and correlate them to traits like flowering time, climatic variables or stress tolerance. Additionally, the fast development of experimental high-throughput techniques being capable of recording thousands of components of transcriptome, proteome and metabolome simultaneously have unraveled an enormous complexity of metabolic regulation and interaction which shape the physiological homeostasis. Yet, because of this intricacy of molecular phenotypes, it is hardly possible to predict metabolism, development or natural variation patterns from current models and data sets. In this context, systems biology research comprising strategies of experimental high-throughput analysis, multivariate statistics and mathematical modeling is a promising approach for comprehensive analysis and interpretation of the systemic behavior of biochemical systems. Here, molecular analysis of metabolic networks was applied to characterize the adaptation of plant metabolism to a changing environment. In a first study, changes in metabolite concentrations, protein and phosphopeptide levels were analyzed to characterize the cold acclimation process in a cold-tolerant and a cold-sensitive natural accession of Arabidopsis thaliana. Accession-specific starch dynamics could be explained by a differential reprogramming of the starch degradation pathway in both accessions. To facilitate the interpretation of metabolic time series data with regard to the underlying biochemical network topology, a graph theoretical approach comparing relevant second and first order derivatives with respect to time of interpolated splines on the metabolite levels has been developed. In a third study, we applied metabolomic profiling on primary and secondary metabolites to samples collected in their natural habitat. This and subsequent mathematical modeling of regulatory instances suggests the suitability of molecular phenotyping to classify in situ populations of Arabidopsis thaliana for generation of hypotheses concerning habitat adaptations, which can be efficiently addressed in targeted follow-up experiments