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Abstract

During post-embryonic development, plants rely on the integrity of phloem within their root systems. The phloem is part of the vasculature and transports energy metabolites from leaves into mitotically active regions such as the root apical meristem (RAM). Loss of function of genes regulating phloem development can result in severe changes in root growth and plant body architecture. The redundantly active genes SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE3 (SMXL3), SMXL4 and SMXL5 are central regulators of early phloem formation. However, molecular mechanisms underlying SMXL3/4/5 gene activities during early phloem development are mostly unknown. The functional relevance of SMXL3/4/5 protein domains including the EAR motif is also unclear. The aim of my dissertation was to characterise the mode of action of SMXL3/4/5 during early events of phloem development in detail using Arabidopsis thaliana roots as model organ to investigate spatiotemporal tissue formation.

First, I investigated at which developmental steps SMXL3/4/5 genes are required to promote phloem development in the RAM, how they interact genetically with positive regulators (OPS, BRX) and how their function is affected by negative regulators (CLE26, CLE45). I found that SMXL4/5 function is required to initiate and promote the activities other of of genes regulating phloem development (OPS, BRX, BAM3, CVP2 and APL), and that SMXL4/5 protein functions are possibly required to attenuate CLE-mediated suppression of phloem differentiation. Furthermore, I examined whether the highly conserved EAR motif of SMXL5 is functionally relevant to promote early phloem development. Here, I tested whether protein accumulation was altered for EAR motif-mutated SMXL5 proteins (SMXL5mEAR) in planta, and if phloem formation could be restored in smxl4;smxl5 double mutants complemented with SMXL5mEAR proteins. My data suggest that SMXL5 protein function is independent from the EAR motif indicating that SMXL5 proteins do not act as canonical EAR repressors in the context of phloem development. Last, I aimed at identifying new genes that are functionally related to SMXL3/4/5 during early phloem development. Therefore, I performed an ethyl methanesulfonate (EMS)-based mutagenesis of smxl4;smxl5 double mutants to screen for genetic suppressors that alleviate the phloem defects characteristic for smxl4;smxl5 mutants. I found that mutagenesis of yet unknown suppressor genes in the smxl4;smxl5 background could indeed restore phloem development. Further analysis including genome mapping is required to identify candidate genes that result in the suppression of the smxl4;smxl5 mutant phenotype.

In conclusion, I postulate that SMXL3, SMXL4 and SMXL5 genes are required to establish the post-embryonic phloem lineage and regulate the phloem-specific developmental program in the RAM. Together, a complex, tightly balanced network of molecular players depending on SMXL3/4/5 activities ensures the formation of phloem within the root system.

Translation of abstract (German)

Während ihrer postembryonalen Entwicklung sind Pflanzen auf die Integrität von Phloem in ihren Wurzelsystemen angewiesen. Das Phloem bildet den Teil des Gefäßsystems, der Energiestoffwechselprodukte von Blättern in mitotisch aktive Regionen wie das apikale Wurzelmeristem (RAM) transportiert. Der Funktionsverlust von Genen, die Phloementwicklung regulieren, kann zu schwerwiegenden Veränderungen des Wurzelwachstums und der Architektur des Pflanzenkörpers führen. Die redundant aktiven Gene SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE3 (SMXL3), SMXL4 und SMXL5 sind zentrale Regulatoren der frühen Phloembildung. Die molekularen Mechanismen, die den Genaktivitäten von SMXL3/4/5 während der frühen Phloementwicklung zugrunde liegen, sind jedoch größtenteils unbekannt. Die funktionale Relevanz von SMXL3/4/5-Proteindomänen einschließlich des EAR-Motivs ist ebenfalls unklar. Ziel meiner Dissertation war es, die Wirkungsweise von SMXL3/4/5 während der frühen Phloementwicklung anhand von Arabidopsis thaliana-Wurzeln als Modellorgan für raumzeitliche Gewebebildung detailliert zu charakterisieren.

Zunächst habe ich untersucht, bei welchen Entwicklungsschritten SMXL3/4/5-Gene erforderlich sind, um die Phloementwicklung im RAM anzutreiben. Außerdem, wie sie genetisch mit positiven Regulatoren (OPS, BRX) interagieren und wie ihre Funktion durch negative Regulatoren (CLE26, CLE45) beeinflusst wird. Ich habe herausgefunden, dass SMXL4/5-Gene funktional erforderlich sind, um die Aktivitäten anderer Gene, die Phloementwicklung regulieren (OPS, BRX, BAM3, CVP2 und APL), zu initiieren und zu fördern, und dass SMXL4/5-Proteinfunktionen möglicherweise erforderlich sind, um die CLE-vermittelte Inhibierung von Phloemdifferenzierung abzuschwächen. Zusätzlich habe ich untersucht, ob das hochkonservierte EAR-Motiv von SMXL5-Proteinen funktional relevant ist, um die frühe Phloementwicklung zu fördern. Hier habe ich getestet, ob die Proteinakkumulation für EAR-Motiv-mutierte SMXL5-Proteine (SMXL5mEAR) in planta verändert wurde und ob Phloembildung in smxl4;smxl5-Doppelmutanten komplementiert mit SMXL5mEAR-Proteinen wiederhergestellt werden konnte. Meine Daten zeigen auf, dass die SMXL5-Proteinfunktion unabhängig vom EAR-Motiv ist, was darauf hinweist, dass SMXL5-Proteine nicht als kanonische EAR-Repressoren im Kontext von Phloementwicklung agieren. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, neue Gene zu identifizieren, die während der frühen Phloementwicklung funktional mit SMXL3/4/5 verbunden sind. Dazu habe ich eine auf Ethylmethansulfonat (EMS) basierende Mutagenese von smxl4;smxl5-Doppelmutanten durchgeführt, um nach genetischen Suppressoren zu suchen, welche die für smxl4:smxl5-Mutanten charakteristischen Phloemdefekte abschwächen. Ich habe herausgefunden, dass die Mutagenese von noch zu identifizierenden Suppressoren in smxl4;smxl5-Doppelmutanten die Phloementwicklung wiederherstellen konnte. Weitere Analysen einschließlich einer Genomkartierung sind erforderlich, um Kandidatengene zu identifizieren, die zur Unterdrückung des smxl4;smxl5-Phänotyps führen.

Zusammenfassend postuliere ich, dass die Gene SMXL3, SMXL4 und SMXL5 erforderlich sind, um die postembryonale Phloemzelllinie zu etablieren und das phloemspezifische Entwicklungsprogramm im RAM zu regulieren. Ein komplexes, fein ausbalanciertes Netzwerk molekularer Akteure stellt abhängig von SMXL3/4/5-Aktivitäten die Bildung von Phloem im Wurzelsystems sicher.