University of Oulu

A matter of life and death - polyamine metabolism during zygotic embryogenesis of pine

Saved in:
Author: Vuosku, Jaana1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Science, Department of Biology
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.5 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514294365
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-05-17
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Science of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (Auditorium YB210), Linnanmaa, on 27 May 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Hely Häggman
Docent Tytti Sarjala
Doctor Anne Jokela
Reviewer: Professor Claire Williams
Professor Roberto Rodriguez Fernandez
Description:

Abstract

The study gathered information about polyamine metabolism throughout the Scots pine (Pinus sylvestris L.) zygotic embryogenesis and about physiological events occurring simultaneously in the megagametophyte tissue. Additionally, novel sequence data of the Scots pine polyamine genes were used for studying the evolution of polyamine genes in plants.

Phylogenetic analyses revealed that the eukaryotic ornithine decarboxylase (ODC) might have evolved from a multifunctional bacterial progenitor. In conifers, the alternative arginine decarboxylase (ADC) pathway is preferred in putrescine biosynthesis, which may have caused the relaxed purifying selection in the ODC genes. The phylogenetic analysis of spermidine synthase (SPDS), spermine synthase (SPMS) and thermospermine synthase (ACL5) sequences supported the view that eukaryotic SPDS genes are derived from a common ancestor, whereas SPMS genes have evolved several times from SPDS genes. The identified Scots pine sequence was defined as a putative thermospermine synthase (TSPMS) encoding gene and named PsACL5. The phylogenetic analysis of polyamine oxidase (PAO) sequences supported the view that plants possess several different PAOs, which may have different catalytic properties.

The consistency of the polyamine concentration profiles during Scots pine zygotic embryogenesis suggested that polyamines have an important role in the embryo development and that individual polyamines may have different roles at different developmental stages. Generally, the polyamine concentrations increased at the early stages but decreased at the late stages of embryo development. Only the free putrescine fraction remained stable throughout the embryo development. Putrescine was almost solely produced via the ADC pathway and the ADC enzyme was at least partially transcriptionally regulated. Both ADC mRNA transcripts and ADC protein localized in dividing cells of embryos, which implicated the essential role of ADC in the mitosis of plant cells.

The megagametophyte was viable from the early phases of embryo development until the early germination of mature seeds. However, the megagametophyte cells in the narrow embryo surrounding region (ESR) died via morphologically necrotic cell death. In the dying cells, extensive nucleic acid fragmentation caused the unspecific hybridization of probes in an in situ mRNA hybridization assay. The occurrence of necrotic cell death in Scots pine embryogenesis indicated that developmentally and physiologically regulated necrotic cell death is evolutionarily conserved and exists also in plants.

see all

Tiivistelmä

Työssä tutkittiin polyamiiniaineenvaihduntaa ja megagametofyyttisolukossa tapahtuvia fysiologisia muutoksia metsämännyn (Pinus sylvestris L.) alkionkehityksen aikana. Polyamiineja (putreskiini, spermidiini ja spermiini) syntetisoivia ja hajottavia entsyymejä koodaavien geenien emäsjärjestys selvitettiin metsämännystä. Sekvenssejä käytettiin kasvien polyamiinigeenien evoluution tutkimiseen.

Tutkimuksessa todettiin, että eukaryooteissa putreskiinin biosynteesistä vastaava entsyymi, ornitiinidekarboksylaasi (ODC), on voinut kehittyä bakteerien lysiinikarboksylaasista (LDC), joka dekarboksyloi sekä ornitiinia että lysiiniä. Kasveissa putreskiinia voidaan tuottaa myös arginiinidekarboksylaasin (ADC) kautta, mikä on johtanut ODC-geeneihin kohdistuvan puhdistavan valinnan heikentymiseen. Aminopropyyli-ryhmiä liittävien entsyymien osalta tutkimus tukee käsitystä, jonka mukaan eukaryoottiset spermidiinisyntaasit (SPDS) ovat kehittyneet yhteisestä kantamuodosta, kun taas spermiinisyntaasi (SPMS) on syntynyt useita kertoja SPDS-geenin kahdentumisen kautta. Metsämännystä tunnistettiin termospermiinisyntaasia (TSPMS) koodaava geeni, jolle annettiin nimeksi PsACL5. Fylogeneettisen analyysin perusteella kasveissa on useita erilaisia polyamiinien hajotuksesta vastaavia polyamiinioksidaaseja (PAO), joiden katalyyttiset ominaisuudet voivat poiketa toisistaan.

Metsämännyllä polyamiinipitoisuudet vaihtelivat alkionkehitysvaiheen mukaan yhdenmukaisesti eri vuosina, mikä viittaa polyamiinien tärkeään rooliin alkionkehityksessä. Polyamiinipitoisuudet kasvoivat varhaisen ja pienenivät myöhäisen alkionkehityksen aikana lukuun ottamatta vapaan putreskiinin pitoisuutta, joka pysyi samana koko alkionkehityksen ajan. Putreskiinia tuotettiin alkioissa lähes pelkästään ADC-reitin kautta, ja ADC-entsyymin säätelyn todettiin tapahtuvan ainakin osittain transkription tasolla. Koska sekä ADC-geenin lähetti-RNA että ADC-entsyymi löytyivät alkion jakautuvista soluista, on ilmeistä, että ADC-entsyymillä on tärkeä tehtävä kasvisolujen mitoosissa.

Megagametofyytti säilyi elossa koko alkionkehityksen ajan lukuun ottamatta alkio-onteloa reunustavia soluja, jotka olivat morfologialtaan nekroottisia. Nukleiinihappojen voimakas pilkkoutuminen aiheutti soluissa koettimien epäspesifisen sitoutumisen, kun geenien ilmenemistä paikannettiin lähetti-RNA:han in situ hybridisaatio-menetelmällä. Tutkimuksessa löydetty männyn alkiokehitykseen liittyvä nekroottinen solukuolema osoitti ensimmäistä kertaa, että fysiologista ja kehityksellistä nekroottista solukuolemaa esiintyy myös kasveissa.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-951-42-9436-5
ISBN Print: 978-951-42-9435-8
Issue: 573
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2011. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.