Robuste räumliche Musterbildung in einer dynamischen Umgebung

01.05.2024 bis 30.04.2027

Multizelluläre Organismen sind für die ordnungsgemäße Bildung und Funktion von Geweben und Organen auf komplizierte Entwicklungsprogramme angewiesen. Von zentraler Bedeutung für diese Programme sind Transkriptionsfaktoren (TFs). TFs bilden komplexe regulatorische Netzwerke, um präzise räumliche und zeitliche Muster der Genexpression zu erzeugen, die die Zellen anweisen, bestimmte Schicksale und Funktionen anzunehmen. Viele TFs, die einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung leisten, wurden identifiziert und die Grundlagen der TF-Wirkung sind gut beschrieben. Eine Schlüsselfrage, die Gegenstand dieses Vorschlags ist, lautet jedoch nach wie vor: Wie schaffen TFs robuste Entwicklungsmuster der Genexpression, insbesondere wenn sich der Zellkontext aufgrund des Gewebewachstums ständig ändert? Die Untersuchung der adaxialen-abaxialen (oben-unten) Blattpolarität bei Pflanzen hat sich als attraktives experimentelles System zur Untersuchung der Entwicklungsmusterbildung erwiesen. Die Polarität ist entscheidend für die Bildung flacher Blätter mit unterschiedlichen oberen (adaxialen) und unteren (abaxialen) Oberflächen, die für den Lichteinfang und den Gasaustausch optimiert sind. Die adaxiale-abaxiale Polarität wird durch die Interaktion eines Vormusters an der Meristemperipherie mit dem Pflanzenhormon Auxin festgelegt. Dadurch wird eine lokalisierte Transkriptionsreaktion ausgelöst, die die adaxiale von der abaxialen Identität unterscheidet. Um die oben gestellte Frage zu beantworten, wollen wir herausfinden, wie die dynamischen Muster der adaxialen-abaxialen Genexpression am wachsenden vegetativen Sprossapikalmeristem in Raum und Zeit organisiert sind. Welche TFs sorgen für die Position des Prä-Musters an der Peripherie des wachsenden Meristems? Welche TFs steuern die lokalen transkriptionellen Reaktionen? Die regulatorischen Module müssen, obwohl sie dynamisch sind, robust sein, da selbst kleine Abweichungen in der adaxialen-abaxialen Musterung zu sehr unterschiedlichen Blattformen führen, oft mit negativen Auswirkungen auf die Fitness. Wir werden eine Kombination aus gezielten genetischen Methoden, quantitativer Bildgebung in lebenden Zellen und „high-throughput“ Ansätzen mit Einzelzellauflösung anwenden, um:
1) cis-regulatorische Elemente (CREs) zu definieren, die die Expression von Polaritätsdeterminanten am Meristem und während der Entwicklung des Primordiums kontrollieren.
2) die in den CREs enthaltene regulatorische Information zu definieren, die die genauen räumlich-zeitlichen Muster der Expression bestimmt.
3) die komplexe Regulierung von MIR166A, einem Schlüsselakteur für die adaxial-abaxiale Polarität, zu untersuchen und zu bestimmen, wie die verschiedenen TFs bei der Kontrolle seiner räumlichen und zeitlichen Expression zusammenwirken.
Die Ergebnisse werden die Regulationsmechanismen hinter der adaxial-abaxialen Organpolarität aufklären. Von größerer Bedeutung ist, dass sie zeigen werden, wie Entwicklungsmuster entstehen und in dynamischen Umgebungen stabil bleiben.