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Characterization of TOL proteins in barley
Madeleine Schnurer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Molekulare Biologie
Betreuer*in
Verena Ibl
DOI
10.25365/thesis.80247
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19906.29586.544279-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Endomembransystem von Pflanzen stellt ein hoch dynamisches Netzwerk da, welches zelluläre Organisation, Homöostase- und Anpassungsprozesse innerhalb der Zelle aufrecht hält. Innerhalb dieses Systems spielt der Endosomale Sortierungskomplex für Transportprozesse (ESCRT) eine essenzielle Rolle bei Proteinsortierungsprozessen, Vesikeltransport, Membranumformungen und Stressantworten. Diese kumulative Dissertation untersucht die Mitwirkung von ESCRT-Maschinerie Proteinen in Gerste (Hordeum vulgare, L.), wobei der Fokus auf der Untersuchung ihrer Rolle während der Entwicklung und auf Anpassungen in Gegenwart von abiotischem Stress liegt – alles im Rahmen von natur-nahe konzipierten Experimenten. Im Besonderen zielt diese Arbeit auf Schritte zur ersten Charakterisierung von ESCRT-0-ähnlichen Tom1-ähnlichen (TOL) Proteinen in Gerste ab. Salzstress verursacht antagonistische hormonelle Reaktionen, Umstrukturierung des Zytoskeletts, sowie Veränderungen im Vesikel-Transport. Gewebespezifische Proteom- und Mikroskopieanalysen zeigten, dass hohe Salzkonzentrationen das Gleichgewicht zwischen den Signalwegen von Abscisinsäure und Gibberellinsäure während der Keimung stören. Dies führte zur verzögerten Mobilisierung von Speicherproteinen, sowie zu Veränderungen von Zytoskelettdynamiken und Vakuolisierungsprozessen in Aleuron- und Embryozellen von Gerste Samen. Diese zellulären Reaktionen weisen auf das Endomembransystem als hauptbetroffene zelluläre Struktur während abiotischen Stresses hin. Die Weiterentwicklung eines Pflanzenwachstumssystems – der DRD-BIBLOX (Dark-Root Device – Brick Black Box) – ermöglichte Pflanzen- und vor allem Wurzelwachstum, sowie Wurzelbildgebung im Dunkeln, in Erde, ohne künstliche Wurzelbeleuchtung. DRD-BIBLOX Experimente lieferten ökologisch realistischere Einblicke bezüglich Entwicklungs- und Stressanpassungsprozessen von Pflanzen. Basierend auf DRD-BIBLOX Experimenten, zeigten proteomische Untersuchungen von in Erde gewachsenen Gerste Keimlingen, dass der ESCRT-Proteinkomplex – insbesondere die Proteine HvSNF7, HvVPS4 und HvTOLProteine – eine zentrale Rolle im Vesikeltransport, bei hormonellen Signalprozessen und zellulären Homöostaseprozessen unter Salzstress spielt. Funktionelle Analysen deuten zudem darauf hin, dass TOLProteine als wichtige und stresssensitive Regulatoren bei Vesikelsortierungs- und Wurzelentwicklungsprozessen wirken. Ergänzend zeigten Lipidomanalysen während der Kornentwicklung und in Gegenwart von Hitzestress, eine dynamische Umstrukturierung von Glycosyl-Inositolphosphoceramiden (GIPCs). Diese wichtigen Sphingolipiden der Plasmamembran, tragen zu erhöhter Membranstabilität und thermischen Widerstandsfähigkeit bei. Insgesamt vereint diese Arbeit verschiedene Aspekte der Stressanpassung von Gerste – von hormoneller Regulation und Zytoskelettdynamiken bis zu Vesikeltransport und Membranumbau. Durch die Kombination von komplexem naturnahem Experimentaufbau und molekularen Labortechniken, vermittelt diese Arbeit umfassende Einblicke zur Stressresilienz in Getreidepflanzen. Zusätzlich stellen die gewonnenen Erkenntnisse eine methodologische Grundlage für ökologisch realistischere und komplexe Experimente da, die Labor- und Feldforschung miteinander verbinden. Letztlich leisten sie einen Beitrag zur Entwicklung neuer Strategien zur Züchtung stressresistenter Nutzpflanzen im größeren Kontext der globalen Klimakrise.
Abstract
(Englisch)
The endomembrane system of plant cells forms a central and highly dynamic network which maintains cellular organization, homeostasis, and adaptability processes. Within this system, the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) machinery plays an essential role in protein sorting, vesicle trafficking, membrane remodelling, and stress response processes. This cumulative Thesis investigates the involvement of ESCRT machinery proteins in barley (Hordeum vulgare, L.), with a particular focus on their roles in development and abiotic stress adaptation—under near-natural experimental conditions. Specifically, the work aims for first characterizations of ESCRT-0-like Tom1-like (TOL) proteins in barley. Salt stress triggers antagonistic hormonal responses, cytoskeletal reorganization, and affects vesiclemediated transport. Tissue-specific proteomic and microscopic analyses revealed that salinity disrupts the balance between abscisic acid and gibberellic acid signalling during germination. Subsequently, delayed storage-protein mobilization, affected cytoskeletal dynamics, and vacuolization processes in aleurone and embryo cells were observed. These cellular responses point towards the endomembrane system as a central target of abiotic stress. The establishment of an advanced dark-root system—the DRD-BIBLOX—enabled plant growth, root phenotyping, tracking, and imaging experiments in soil without artificial illumination, therefore under near-natural laboratory settings. This advancement provided ecologically realistic insights into development and stress adaptation. Using this setup, proteomic studies of soil-grown barley seedlings revealed that the ESCRT machinery—highlighting HvSNF7, HvVPS4 and HvTOL proteins as potential key regulators—plays essential roles in vesicle trafficking, potential affecting hormonal signalling, and cellular homeostasis under salinity. Functional analyses further suggest TOL proteins as critical and stress-sensitive regulators of vesicular sorting and root adaptation. Complementary advances in lipidomic profiling during grain development demonstrated dynamic remodelling of glycosyl inositol phospho ceramides (GIPCs), key sphingolipids of the plasma membrane, contributing to enhanced membrane stability and thermal resilience. Together, this thesis combines various aspects of barley stress adaptation—by linking hormonal regulation, cytoskeleton dynamics, vesicle trafficking, and membrane remodelling. By combining nearnatural experimental realism with molecular approaches, this work communicates a comprehensive and holistic understanding of crop stress resilience. Further it provides a methodological foundation for more ecologically realistic experiments, bridging laboratory and field research. Eventually, this Thesis contributes to the progress of breeding stress-resilient crops, in the context of the global climate crisis.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
ESCRT Endomembran System Wurzelentwicklung Salzstress Hitzestress ESCRT-0-like HvTOL HvSNF7 HvVPS4 Wurzelwachstum im Dunkeln DRD-BIBLOX Lego® Wurzelsystem Architektur Wurzeltracking Getreide Gerste Molekulare Biologie Glycosyl Inositol Phospho Ceramide (GIPC) Pflanzenmembran Naturnaher Experimentaufbau Wurzel-Phenotypisierungsbox Glycosphingolipid
Schlagwörter
(Englisch)
root development salt stress response endomembrane system ESCRT ESCRT-0-like HvSNF7 HvVPS4 HvTOL D-Root root system architecture root tracking #asnearaspossibletonature Lego® crops barley germination mobilization vacuolization proteomics confocal microscopy salt stress DRD-BIBLOX rhizobox glycosyl inositol phospho ceramides (GIPCs) plant membrane heat stress glycosphingolipid molecular biology
Autor*innen
Madeleine Schnurer 
Haupttitel (Englisch)
Characterization of TOL proteins in barley
Paralleltitel (Deutsch)
Charakterisierung von TOL Proteinen in Gerste
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
267 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Erika Isono ,
Verena Kriechbaumer
AC Nummer
AC17772536
Utheses ID
78847
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |