Transcription associated proteins in plant development and evolution

Die Genexpression ist ein fundamentaler Prozess der Zellbiologie. In diesem werden die in der DNA enthaltenen Informationen in funktionale Einheiten umgesetzt. Das Maß, in dem die Genexpression reguliert werden kann, korreliert dabei mit dem Potential einer Zelle verschiedenste Funktionen auszubilden. Als ein Beispiel dafür kann das Durchschreiten des pflanzlichen Lebenszyklus gesehen werden, wie es sich z.B. bei der Entwicklung eines Baumes aus einem Samen vollzieht. Dies wird durch unterschiedliche Anwendungen der Genregulation auf identische DNA Informationen möglich. Dabei bildet die Transkription, das Umschreiben der DNA in RNA, den initialen Schritt der Genexpression. Die Regulation der Transkription erfolgt durch transkriptions-assoziierte Proteine (transcription associated proteins, TAPs). Die vorliegende Arbeit erweitert das Wissen über die Rolle von TAPs in der pflanzlichen Entwicklung und zeigt neue Aspekte ihrer Evolution in Pflanzen auf. In einem ersten Schritt wurde eine Methode zur Detektion von TAPs in Pflanzen (TAPscan) etabliert. Unter Anwendung dieser Methode wurde eine große Anzahl pflanzlicher Genome und Transkriptome auf das Vorhandensein verschiedener TAP Gruppen untersucht. Auf Grundlage der erhobenen Daten ließen sich ursprüngliche Zustände sowie die Entstehung, Expansion und der vollständige oder teilweise Verlust verschiedener TAP Familien über die Evolution der Pflanzen hinweg nachvollziehen. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass sich viele TAP Familien, deren Entstehung bisher mit dem Landgang der Pflanzen in Verbindung gebracht wurde, bereits vor den ersten Landpflanzen entwickelten. Des Weiteren wurde der Einfluss von TAPs auf die Samenentwicklung untersucht. Diese Untersuchungen wurden anhand von Aethionema arabicum (zur Verfügung gestellt durch das SeedAdapt Konsortiums), einer Pflanze, die dimorphe Samen ausbildet, durchgeführt. Dazu wurden Daten aus RNA Sequenzierungen (RNA-seq) analysiert und TAPscan auf diese Daten angewendet. Im Zuge dessen konnte auch der Nutzen eines de novo Transkriptoms im Vergleich zu einem Referenzgenom bei der Identifizierung differenziell exprimierter Gene gezeigt werden. Die Analysen der Sequenzierungsdaten, auch unter Anwendung von TAPscan, konnten deutliche Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Samenformen belegen. In den Analysen wurden, sowohl unter Anwendung des de novo Transkriptoms als auch des Referenzgenoms, die Anlagen der dehiszenten (Kurzzeit-) Samenform für schnelle Samenreife und die der indehiszenten (Langzeit-) Samenform für erhöhte Dormanz deutlich.Gene expression, the process in which DNA information is conveyed into a functional unit, is fundamental to cellular life. The extent to which gene expression can be regulated corresponds to a cells potential to modify its ability. One example is the progression through life stages of e.g. plants, going from seed to a tree, all achieved through different application of gene regulation upon the same identical DNA information. Transcriptional regulation is the process of regulating the initial step in gene expression, the transcribing of DNA into RNA. This is carried out by transcription associated proteins (TAPs). The work in this thesis aims to increase our knowledge of TAP involvement in plant development and to shed new light on TAP evolution in plants. By first providing an up-to-date method to screen for TAPs in plants (TAPscan), it was possible to screen a wide selection of plant genomes and transcriptomes. Using the data, ancestral states as well as gains, losses, expansion and contractions of TAPs, throughout the evolution of plants, could be calculated. The results suggest that many previously thought to be land plant specific TAPs actually predates the emergence of land plants. By analyzing RNA-sequence (RNA-seq) libraries of the dimorphic seed producing plant Aethionema arabicum (provided through the SeedAdapt consortium) it was possible to investigate TAP influence on seed development. In addition, a study evaluating the usefulness of a de novo assembly compared to a reference genome when identifying differentially expressed genes was conducted. The RNA-seq analysis, with TAP annotations, showed a clear distinction between the two seed morphs. The dehiscent (short term) seed being geared towards faster maturation and the indehiscent (long term) seed being geared towards dormancy was evident using both the de novo and reference approach