Germany
March 23, 2015
Using bioinformatic data analyses an international team of scientists could discover thousands of mobile messenger RNAs.
Heterografts of the Arabidopsis ecotypes Columbia and Pedriza were used to analyze mobile mRNAs. White arrows indicate grafting sites. © Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology.
Plants take up water and salts from the soil and they produce sugars via photosynthesis. These nutrients need to be transported to growing tissues adjacent to their uptake or synthesis. This task is assumed by the vascular bundles, which consist of two tissues: xylem and phloem. Water and dissolved salts are transported from root to shoot by the xylem. The phloem facilitates transport sugars and other organic compounds from nutrient exporting tissues (sources) to importing tissues (sinks). Besides small molecules, proteins and siRNAs (small interfering RNAs) are transported in the phloem as well. “Small interfering RNAs take part in gene regulation. They are able to migrate long distances, e.g. from leaves to flowers where they can regulate the production of pollen or phosphate uptake in the root”, explains Friedrich Kragler of the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam. Moreover there were hints on phloem transport of larger RNA molecules like messenger RNAs (mRNAs). They convey genetic information from DNA to protein synthesis.
“Only a small number of mRNAs that were found in the phloem have been analyzed further. In addition it was unknown to what extent mRNAs are transported between distant tissues”, says Friedrich Kragler. On this account the international team of scientists investigated the mobility of mRNAs in the model plant Arabidopsis thaliana (thale cress). First they needed to develop a method which enables distinction of mobile and immobile mRNAs. Migration of mRNA from shoot to root and vice versa could be analyzed in heterografted plants. “Due to their genetic variety, we chose to use different Arabidopsis ecotypes for our grafting experiments”, says Wolf-Rüdiger Scheible of the Samuel Robert Noble Foundation in Ardmore, Oklahoma. Ecotypes are genetically distinct populations within one species that are adapted to different ecosystems. The scientists decided to use two out of over 750 Arabidopsis subspecies: Columbia (Col-0) from Missouri and Pedriza (Ped-0) from Spain. They harbor substantially diverged genetic information. So, mRNAs can be easily assigned to one of those ecotypes.
Seedlings were used for root-shoot heterografting in various combinations. Two weeks after grafting, DNA and RNA of leaves and roots were isolated und subjected to sequencing. “By analyzing the obtained sequence data we could identify 2006 genes that produce mobile mRNAs”, explains Friedrich Kragler, “although the true number actually might be even higher as our approach could not interrogate all mRNAs that are produced in these Arabidopsis ecotypes” adds Wolf-Rüdiger Scheible. The majority of detected mobile mRNAs migrates in the phloem, matching the sugar transport. The other half splits in molecules that migrate from root to shoot (25%) and those that are transported in both directions (24%). The scientist assume that plants use mobile mRNAs as signal molecules to coordinate growth processes as well as adaptation to environmental stresses in distant tissues.
Grafting is commonly used in viticulture and fruit cultivation to combine characteristic traits of two varieties. Nevertheless, the underlying genetic determinants are often unknown. “Knowing the identity of mobile mRNAs that move from roots into flowers will help us to understand why certain graft combinations e.g. used widely by plant breeders with grapevines, tomatoes, or with apple trees are beneficial or detrimental for fruit production”, says Friedrich Kragler.
Original publication:
Christoph J. Thieme, Monica Rojas-Triana, Ewelina Stecyk, Christian Schudoma, Wenna Zhang, Lei Yang, Miguel Miñambres, Dirk Walther, Waltraud X. Schulze, Javier Paz-Ares, Wolf-Rüdiger Scheible and Friedrich Kragler
Endogenous Arabidopsis messenger RNAs transported to distant tissues
Nature Plants, 23 March 2015, DOI: 10.1038/nplants.2015.25
more information:
http://www.mpimp-golm.mpg.de/6650/3kragler Link to Friedrich Kraglers group
Vom Blatt bis in die Wurzel: Boten-RNAs legen weite Strecken zurück
Mit Hilfe bioinformatischer Datenanalysen entdeckt ein internationales Team von Wissenschaftlern tausende mobile Boten-RNAs (mRNAs).
Pflanzen nehmen Wasser und Salze aus dem Boden auf und produzieren mit Hilfe der Photosynthese energiereiche Zucker. Diese verschiedenen Nährstoffe müssen anschließend dorthin transportiert werden, wo sie benötigt werden. Diese Aufgabe übernehmen die Leitbündel. Sie bestehen aus einem Holzteil, dem sogenannten Xylem und aus einem Siebteil, dem Phloem. Wasser und die darin gelösten Salze werden durch das Xylem von der Wurzel in den Spross und die Blätter transportiert. Das Phloem dient dem Transport von Zuckern und anderen organischen Verbindungen. Diese werden von Blättern in die Wurzeln und in die Blüten und Früchte transportiert um deren Wachstum zu ermöglichen. Neben kleinen organischen Verbindungen werden auch Proteine und sogenannte siRNAs (small interfering RNAs) im Phloem transportiert. „Das sind kleine RNA-Moleküle, die an der Genregulation beteiligt sind. Dazu werden sie teilweise über weite Strecken transportiert, zum Beispiel vom Blatt in die Blüte wo sie die Pollenproduktion regulieren können“, erklärt Friedrich Kragler vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam. Außerdem gab es bereits Hinweise, dass auch größere RNA-Moleküle, wie zum Beispiel Boten-RNAs im Phloem transportiert werden. Diese Boten-RNAs oder auch mRNAs (messenger RNAs) sind an der Übersetzung der genetischen Information in Proteine beteiligt.
„Von den im Phloem gefundenen mRNAs wurden aber bisher nur wenige genauer untersucht. Außerdem war nicht bekannt, in welchem Ausmaß mRNAs zwischen verschiedenen Organen der Pflanze transportiert werden“, sagt Friedrich Kragler. Aus diesem Grund untersuchte das internationale Forscherteam die Mobilität von mRNAs in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand). Zuerst mussten sie eine Methode entwickeln, die es ihnen ermöglichte bewegliche und unbewegliche mRNA-Moleküle zu unterscheiden. Dazu sollte der Spross einer Pflanze auf den Wurzelhals einer zweiten Pflanze gepfropft werden. So wollten sie untersuchen, ob mRNA Moleküle von der Wurzel in den Spross gelangen und umgekehrt. „Die Grundlage dieses Experiments war die genetische Vielfalt der verschiedenen Arabidopsis-Ökotypen“, erklärt Wolf-Rüdiger Scheible von der Samuel Roberts Noble Foundation in Ardmore (USA). Als Ökotypen bezeichnet man verschiedene Populationen einer Art, die an unterschiedliche Standorte angepasst sind. Diese Anpassung spiegelt sich auch im Erbgut der Pflanzen wieder. Für ihre Experimente nutzen die Forscher zwei der über 750 Arabidopsis-Ökotypen: Columbia (Col-0) aus dem Mittleren Westen der USA und Pedriza (Ped-0) aus Spanien. Der genetische Unterschied dieser Pflanzen ist groß genug, um mRNA-Moleküle dem entsprechenden Ökotyp zuzuordnen.
Für die Analyse der mRNA-Mobilität wurden Keimlinge in verschiedenen Kombinationen gepfropft. Zwei Wochen später isolierten die Wissenschaftler DNA und RNA aus Blättern und Wurzeln dieser Pflanzen und sequenzierten sie. „Bei der bioinformatischen Analyse der Sequenzdaten konnten wir 2006 Gene identifizieren, die mobile mRNAs produzieren“, erklärt Friedrich Kragler. „Obwohl die Zahl vermutlich noch höher ist, denn mit unserem Ansatz konnten wir nicht alle mRNAs der beiden Ökotypen erfassen“, fügt Wolf-Rüdiger Scheible hinzu. Ungefähr die Hälfte der identifizierten mobilen mRNAs wird im Phloem, das heißt zusammen mit Zuckern transportiert. Die andere Hälfte unterteilt sich in Moleküle, die von der Wurzel in den Spross wandern (25%) und solche, die in beide Richtungen transportiert werden können (24%).
Die Wissenschaftler vermuten, dass Pflanzen mobile mRNAs als Signalmoleküle nutzen, mit denen sie Wachstumsprozesse sowie Reaktionen auf Umweltreize über weite Strecken koordinieren.
Auch im Wein- und Obstanbau wird das Pfropfen seit mehr als 1000 Jahren als Technik benutzt um Eigenschaften zweier Pflanzen miteinander zu kombinieren. Welche genetischen Faktoren dabei über Erfolg oder Misserfolg entscheiden, ist jedoch häufig unklar. Dabei könnten mobile mRNAs, die zwischen den Wurzeln, Blättern und Früchten ausgetauscht werden, eine wichtige Rolle spielen.
Originalpublikation:
Christoph J. Thieme, Monica Rojas-Triana, Ewelina Stecyk, Christian Schudoma, Wenna Zhang, Lei Yang, Miguel Miñambres, Dirk Walther, Waltraud X. Schulze, Javier Paz-Ares, Wolf-Rüdiger Scheible and Friedrich Kragler
Endogenous Arabidopsis messenger RNAs transported to distant tissues
Nature Plants, 23.03.2015, DOI: 10.1038/nplants.2015.25
Weitere Informationen:
http://www.mpimp-golm.mpg.de/6650/3kragler Profil der Arbeitsgruppe Kragler
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