Identyfikacja i charakterystyka genów warunkujących komórkową homeostazę poliamin w starzeniu liści jęczmienia
| dc.contributor.advisor | Sobieszczuk-Nowicka, Ewa. Promotor | |
| dc.contributor.advisor | Tanwar, Umesh Kumar. Promotor pomocniczy | |
| dc.contributor.author | Stolarska, Ewelina | |
| dc.date.accessioned | 2024-10-09T11:24:19Z | |
| dc.date.available | 2024-10-09T11:24:19Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description | Wydział Biologii | |
| dc.description.abstract | Starzenie rozwojowe jest procesem nieodwracalnym, po którym następuje bezwarunkowo śmierć komórki. Indukowane ciemnością starzenie liści (ang. dark-induced leaf senescence, DILS) jest do pewnego stadium procesem odwracalnym. W roślinach indukowane starzenie jest wysoce kontrolowanym i aktywnym procesem wymagającym globalnego przeprogramowania metabolicznego, mającego na celu zorganizowaną dezintegrację i ponowną remobilizację cennych zasobów. Sprawność regulacji indukowanego procesu starzenia jest oznaką żywotności starzejących się komórek, które na każdym etapie muszą zachować zdolność do utrzymania homeostazy, przejawiającej się m.in. kontrolowaniem homeostazy cyklu poliamin (PA). Homeostaza PA w komórce jest utrzymywana przez mechanizmy sprzężenia zwrotnego z poziomu biosyntezy, katabolizmu, importu i eksportu. Poliaminy są niskocząsteczkowymi organicznymi kationami należącymi do grupy biogennych amin, kluczowymi w wielu fizjologicznych i rozwojowych procesach u bakterii, zwierząt i roślin. Metabolizm PA może odgrywać istotną rolę w procesie starzenia się liścia. Zespół prof. Ewy Sobieszczuk-Nowickiej za cel postawił sobie poznanie wielokierunkowych powiązań metabolizmu poliamin z siecią metaboliczną organizującą proces starzenia liści jęczmienia oraz ocenę, czy zmiana kierunku starzeniowo-zależnego metabolizmu PA wpłynie na ten proces. Kierunek metabolizmu PA i transport może kontrolować efektywność zależnej od starzenia remobilizacji azotu. Do realizacji celu wybrano podejście oparte na genomice funkcjonalnej. Brak w literaturze informacji na temat sekwencji genów metabolizmu PA w jęczmieniu był dużym ograniczeniem tego podejścia. Stąd też potrzebna była identyfikacja genów metabolizmu PA w jęczmieniu, która stała się celem mojej rozprawy doktorskiej. Do badań włączyłam również analizę transporterów PA. Transportery PA są rozpoznane u roślin w niewielkim stopniu. Importery PA zostały opisane u rzodkiewnika, ryżu i pomarańczy. Eksportery PA zostały zasugerowane jako potencjalne eksportery PA u rzodkiewnika i ryżu. W wyniku badań w skali całego genomu jęczmienia wyodrębniłam rodziny genów warunkujące homeostazę PA w komórce, które obejmowały 23 geny metabolizmu PA i 13 genów transporterów. Przeprowadziłam również szczegółową charakterystykę zidentyfikowanych genów oraz ich białkowych produktów. Modelowanie homologiczne badanych transporterów pozwoliło z dużą dokładnością przewidzieć struktury trójwymiarowe białek, a analizy dokowania molekularnego potwierdziły możliwość interakcji pomiędzy białkami transportującymi a PA. Obecność w genomie zidentyfikowanych in silico genów potwierdziłam eksperymentalnie i zbadałam ich organospecyficzną ekspresję. Następnie w modelu starzenia liści jęczmienia indukowanego ciemnością zbadałam profile ekspresji genów homeostazy PA. Na podstawie tej analizy wytypowałam geny kandydujące do badań funkcjonalnych. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia wyniki pierwszej identyfikacji, izolacji i kompleksową charakterystykę genów jęczmienia warunkujących komórkową homeostazę PA oraz ocenę ich organospecyficznej i starzeniowo-zależnej ekspresji w metabolizmie liścia ekspresji. Wyniki moich badań stanowią punkt odniesienia badań funkcjonalnych wielu zespołów naukowców wyjaśniających mechanizmy molekularnej kontroli i regulacji przez PA procesów rozwojowych zbóż i ich reakcji na (a)biotyczne czynniki środowiska. Szczególnie badań funkcjonalnych nad mechanizmem działania PA w starzeniu liści. Developmental senescence is an irreversible process that is inevitably followed by cell death. Dark-induced leaf senescence (DILS) is a reversible process to a certain stage. In plants, induced senescence is a highly controlled and active process requiring global metabolic reprogramming aimed at the organized disintegration and remobilization of valuable resources. The efficiency of the regulation of the induced senescence process is a sign of the viability of senescent cells, which at each stage must maintain the ability to maintain homeostasis, manifested, among others, by controlling polyamine (PA) cycle homeostasis. PA homeostasis in the cell is maintained by feedback mechanisms from the levels of biosynthesis, catabolism, import and export. Polyamines are low molecular weight organic cations belonging to the group of biogenic amines, crucial in many physiological and developmental processes in bacteria, animals and plants. PA metabolism may play an important role in the leaf senescence process. Professor Ewa Sobieszczuk-Nowicka's team set themselves the goal to understand the multidirectional connections of polyamine metabolism with the metabolic network organizing the senescence process of barley leaves and to assess whether a change in the direction of senescence-dependent PA metabolism will affect this process. The direction of PA metabolism and transport may control the efficiency of senescence-dependent nitrogen remobilization. An approach based on functional genomics was chosen to achieve the goal. The lack of information in the literature on the sequence of PA metabolism genes in barley was a major limitation of this approach. Hence, there was a need to identify PA metabolism genes in barley, which became the goal of my doctoral thesis. I also included the analysis of PA transporters in my research. PA transporters are little known in plants. PA importers have been described in Arabidopsis, rice and orange. PA exporters have been suggested as potential PA exporters in Arabidopsis and rice. As a result of research on the entire barley genome, I identified gene families determining PA homeostasis in the cell, which included 23 PA metabolism genes and 13 transporter genes. I also carried out a detailed characterization of the identified genes and their protein products. Homology modeling of the studied transporters allowed to predict the three-dimensional structures of proteins with high accuracy, and molecular docking analyzes confirmed the possibility of interactions between transport proteins and PA. I experimentally confirmed the presence of the genes identified in silico in the genome and examined their organospecific expression. Then, in a dark-induced barley leaf senescence model, expression profiles of PA homeostasis genes. Based on this analysis, I selected candidate genes for functional research. This doctoral dissertation presents the results of the first identification, isolation and comprehensive characterization of barley genes determining cellular PA homeostasis, as well as the assessment of their organospecific and senescence-dependent expression in leaf metabolism. The results of my research constitute a reference point for functional studies of many teams of scientists explaining the mechanisms of molecular control and regulation by PA of crop development processes and their response to (a)biotic environmental factors. Especially functional studies on the mechanism of action of PA in leaf senescence. | |
| dc.description.sponsorship | Badania finansowano z projektu OPUS Narodowego Centrum Nauki nr UMO-2018/29/B/NZ9/00734, tytuł projektu: „Poliaminy – nowy przełącznik metaboliczny starzenia liścia jęczmienia. Opracowanie molekularnej podstawy sieciowej regulacji procesu jako cel strategii uprawy zbóż”. Autorka otrzymywała stypendium motywacyjne w ramach programu Paszport do przyszłości – Interdyscyplinarne studia doktoranckie na Wydziale Biologii UAM (POWR.03.02.00-00-I006/17) współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Wiedza Edukacja Rozwój (POWER). | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10593/27856 | |
| dc.language.iso | pl | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | genomika | |
| dc.subject | jęczmień | |
| dc.subject | metabolizm poliamin | |
| dc.subject | starzenie liści | |
| dc.subject | transportery poliamin | |
| dc.subject | genomics | |
| dc.subject | barley | |
| dc.subject | polyamine metabolism | |
| dc.subject | leaf senescence | |
| dc.subject | polyamine transporters | |
| dc.title | Identyfikacja i charakterystyka genów warunkujących komórkową homeostazę poliamin w starzeniu liści jęczmienia | |
| dc.title.alternative | Genome-wide identification and characterization of genes determining cellular polyamine homeostasis in senescing barley leaves | |
| dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |