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Population genetics of selected Boraginaceae and their transcriptomic changes upon phytohormonal and microbial interaction
Muhammad Ahmad
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)
Betreuer*innen
Ovidiu Paun ,
Angela Sessitsch
DOI
10.25365/thesis.73262
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16218.43836.924314-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Zur Familie der Boraginaceae gehören viele Heilpflanzenarten, die wertvolle sekundäre Pflanzenstoffe produzieren. Die wichtigsten Sekundärmetabolite sind Alkannin, sein Enantiomer Shikonin und deren Derivate (A/S), die sich ausschließlich im Wurzelperiderm anreichern. A/S haben sich als vorteilhaft für die Behandlung von Wunden und Entzündungen beim Menschen erwiesen und besitzen das Potenzial, als antibakterielle, antivirale und Antitumormittel verwendet zu werden. Wie bei vielen anderen pflanzlichen Heilmittel ist die Hauptquelle von A/S Wildpflanzen, was oft zu einer Übernutzung führt, die einen immensen Druck auf die natürlichen Populationen ausübt. Außerdem leiden Wildpflanzen unter einer variablen Ausbeute an A/S, eine Einschränkung für nachfolgende standardisierte Extraktionsverfahren, die auf eine hohe Ausbeute abzielen. Zur Unterstützung von Erhaltungsprogrammen, aber auch zur Vorhersage von Veränderungen im A/S-Gehalt, ist ein Verständnis der genetischen Variation der gewünschten Arten erforderlich. Anschließend werden alternative Strategien gefordert, die zur Verbesserung der Qualität und Ausbeute von A/S eingesetzt werden können. Es wurde gezeigt, dass Phytohormone und endophytische Bakterien die A/S-Produktion steigern könnten, aber die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind noch weitgehend unbekannt. Diese Dissertation charakterisiert die genetische Variation in zwei ausgewählten A/S-produzierenden Arten der Gattung Alkanna und zeigt Pathways und Gene auf, die mit einer verstärkten A/S-Biosynthese während der Inokulation von Lithospermum officinale mit Phytohormonen und einem seiner endophytischen Bakterien assoziiert sind. In Kapitel 1 wurde eine Restriktionsstellen-assoziierte DNA-Sequenzierung und Ploidie-bewusste Genotypisierung durchgeführt, um die genetische Struktur in Alkanna tinctoria und Alkanna sieberi, repräsentative A/S-produzierende Boraginaceae-Arten in Griechenland, zu untersuchen. Es wurde eine starke regionale genetische Struktur in 14 analysierten Alkanna tinctoria-Populationen auf dem griechischen Festland entlang des Nord-Süd-Gradienten sowie ein Hinweis auf eine interspezifische Beimischung, die die genetische Variation der griechischen Festland- und Inselpopulationen beeinflusst, beobachtet. Eine zusätzliche Untersuchung von Populationen von Alkanna tinctoria zeigte, dass sowohl neutrale Prozesse als auch Selektion eine Rolle bei der Gestaltung der heutigen genetischen Variation dieser Art gespielt haben. Das zweite Kapitel zielt darauf ab, molekulare Einblicke in die Regulation der A/S-Biosynthese als Antwort auf die Phytohormone Methyljasmonat und Salicylsäure in Lithospermum officinale zu geben. Die Analyse von A/S-Profilen bestätigte, dass Methyljasmonat, aber nicht Salicylsäure, die A/S-Biosynthese fördert. Mittels vergleichender Transkriptomik liefert diese Studie einen weiteren Beweis für die wichtige Rolle des Mevalonat-Vorläuferwegs bei der Phytohormon-vermittelten A/S-Produktion. Eine integrative Analyse mittels gewichteter Genkoexpressionsnetzwerkanalyse ergab mehrere strukturelle und regulatorische Kandidaten, die am A/S-Biosyntheseweg beteiligt sind. Das letzte Kapitel untersucht die möglichen Transkriptionsmechanismen des endophytischen Bakteriums Chitinophaga sp. Stamm R-73072-vermittelte A/S-Biosynthese in Lithospermum officinale. R-73072 steigert die A/S-Produktion in verschiedenen Boraginaceae-Arten erheblich. Unter Verwendung vergleichender Transkriptomik wurde gezeigt, dass R-73072 das Wurzeltranskriptom von Lithospermum officinale wesentlich weränderte. Differentiell exprimierte Gene waren hauptsächlich an der Pflanzenabwehr, dem Sekundärstoffwechsel und der phytohormonalen Signalübertragung beteiligt. Eine höhere Expression von Genen, die an der Jasmonat- und Ethylen-Biosynthese und -Signalgebung beteiligt sind, legen ferner nahe, dass diese Phytohormone an der R-73072-vermittelten A/S-Biosynthese beteiligt sein könnten. Darüber hinaus aktivierte R-73072 nicht nur lokale Abwehrreaktionen, sondern induzierte auch systemische Resistenz, indem es die Pilzinfektion im Blattgewebe reduzierte.
Abstract
(Englisch)
The family Boraginaceae includes many medicinal plant species that produce valuable secondary metabolites. The most important secondary metabolites are alkannin, its enantiomer shikonin and their derivatives (A/S), which exclusively accumulate in the root periderm. A/S have been shown to be beneficial for the treatment of humans such as wounds and inflammation, and possess the potential to be used as antibacterial, antiviral and antitumor agents. Like for many other herbal compounds, the main source of A/S are wild plants, which often leads to an overexploitation exerting immense pressure on natural populations. In addition, wild plants suffer from variable yield of A/S, a constraint for subsequent standardized extraction processes aiming at a high yield. In order to aid in conservation programs but also to predict variation in A/S contents, an understanding of the genetic variation of the species of interest is required. Subsequently, alternative strategies that can be used to improve the quality and yield of A/S are demanded. It has been shown that phytohormones and endophytic bacteria could boost A/S production but the underlying molecular mechanisms remain largely unknown. This thesis aims to characterize genetic variation in two selected A/S producing species of the genus Alkanna and to elucidate pathways and genes associated with enhanced A/S biosynthesis during inoculation of Lithospermum officinale with phytohormones and one of its endophytic bacteria. In chapter one, restriction site-associated DNA sequencing and ploidy-aware genotyping was carried out to investigate the genetic structure in Alkanna tinctoria and Alkanna sieberi, representative A/S producing species of Boraginaceae in Greece. A strong regional genetic structure in 14 analyzed Alkanna tinctoria Greek mainland populations along the north-south gradient together with signals of interspecific admixture influencing genetic variation of Greek mainland and island populations were observed. An additional investigation of Alkanna tinctoria populations showed that both neutral processes and selection have played a role in shaping present day genetic variation in this species. The second chapter aims to provide molecular insight into the regulation of A/S biosynthesis in response to the phytohormones methyl jasmonate and salicylic acid in Lithospermum officinale. Analysis of A/S profiles confirmed that methyl jasmonate but not salicylic acid promotes A/S biosynthesis. By means of comparative transcriptomics, this study further provides evidence for the important role of the precursor mevalonate pathway in phytohormone-mediated A/S production. Integrative analysis via weighted gene co-expression network analysis revealed several structural and regulatory candidates involved in the A/S biosynthetic pathway. The final chapter investigates the possible transcriptional mechanisms involved in the endophytic bacterium Chitinophaga sp. strain R-73072-mediated A/S biosynthesis in Lithospermum officinale. R-73072 significantly enhances A/S production in different Boraginaceae members. Using comparative transcriptomics, it is shown that R-73072 substantially modulated the root transcriptome of Lithospermum officinale, where differentially expressed genes were primarily involved in plant defense, secondary metabolism, and phytohormonal signaling. Higher expression of genes involved in jasmonate and ethylene biosynthesis and signaling further suggest that these phytohormones could be involved in R-73072-mediated A/S biosynthesis. In addition, R-73072 activated not only local defense responses but also induced systemic resistance by reducing fungal infection in foliar tissues.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
genetische Variation RAD-seq Alkanna Polyploid Boraginaceae Alkannin Shikonin-Biosynthese Chitinophaga Sekundäre Pflanzenstoffe Transkriptomik Pflanzenabwehr
Schlagwörter
(Englisch)
Genetic variation RAD-seq Alkanna Polyploid Boraginaceae Alkannin Sikonin-biosynthesis Chitinophaga Secondary metabolites Transcriptomics Plant defence
Autor*innen
Muhammad Ahmad
Haupttitel (Englisch)
Population genetics of selected Boraginaceae and their transcriptomic changes upon phytohormonal and microbial interaction
Paralleltitel (Deutsch)
Populationsgenetik ausgewählter Boraginaceae und ihre transkriptomischen Veränderungen bei phytohormoneller und mikrobieller Interaktion
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
iii, 93 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Marie-Theres Hauser ,
Rainer Schuhmacher
AC Nummer
AC16804522
Utheses ID
65772
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |