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Abstract

Stem cells have fascinated humans for a long time because of their fundamental importance in building and sustaining many forms of life. Stem cells are able to divide and maintain themselves while producing new cell types. Like animal stem cells, plant stem cells are a fascinating research object. They provide the cells for plant growth and allow many plants to continue growing throughout their lives, thereby producing enormous amounts of plant biomass on this planet. In this study, I specifically focussed on the plant stem cells that produce wood and bast. These stem cells form a cylindrical stem cell niche, the vascular cambium, which is found in the root, the stem and the tissue that connects the root and stem, the hypocotyl. In my analyses, I focused on the hypocotyl of the model plant Arabidopsis thaliana, since wood and bast production is very active there and the tissue patterning resembles the patterning of the vascular cambium of trees.

A vascular cambium stem cell produces both, wood progenitor cells inward and bast progenitor cells outward. Thus, it needs to “choose” between the following cell fates: becoming a wood progenitor cell, becoming a bast progenitor cell, or remaining a stem cell. The basis on which this first cell fate decision is made has not yet been clarified. To better understand this decision-making process, in a first step I mathematically modelled gene regulatory networks in collaboration with the Mironova laboratory. This has shown that a network of just three genes that regulate each other in a specific way is sufficient to bring about the three cell fate possibilities mentioned above. I then hypothesized that this network could consist of two mutually inhibitory auxin and cytokinin signalling pathway components. Furthermore, these components could be additionally regulated by WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX4 (WOX4), an important transcription factor for stem cell regulation in the vascular cambium. Integrated into a 1D model, this network generated bidirectional growth. Using in planta analysis, I was able to show that both auxin and cytokinin signalling levels are low specifically in the vascular cambium. To test my hypothesis, I investigated which genes of the auxin and cytokinin pathways are regulated by WOX4, also in comparison to WUSCHEL, a stem cell regulator of the shoot apical meristem. In the course of my investigations, I identified specific type-A ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATORs (ARRs), which negatively regulate cytokinin signalling, as putative WOX4 targets. I found that the expression of the type-A ARR genes ARR5, ARR6, ARR7 and ARR15 is reduced in the hypocotyl vascular cambium. Furthermore, I observed that the expression of ARR6 and ARR15 is downregulated by WOX4. WUSCHEL also exerts this type of regulation on type-A ARRs in the shoot apical meristem and therefore this could represent a general concept for the regulation of plant stem cells. In addition, findings in this study propose that WOX4 itself is regulated by cytokinin via the DNA BINDING WITH ONE FINGER 2.1 (DOF2.1) protein. Importantly, when ARR7 and ARR15 are mutated, the cell fate decisions of vascular cambium stem cells are altered and more wood cells are produced than in wild type plants. In conclusion, this study suggests that a mechanism of cell fate decision making in vascular cambium stem cells is based on the regulation of cytokinin signalling by WOX4 and by type-A ARRs.

Translation of abstract (German)

Stammzellen faszinieren die Menschen schon lange, da sie für den Aufbau und den Erhalt vieler Lebensformen von grundlegender Bedeutung sind. Stammzellen sind in der Lage, sich zu teilen und sich selbst zu erhalten und gleichzeitig neue Zelltypen zu produzieren. Wie tierische Stammzellen sind auch pflanzliche Stammzellen ein faszinierendes Forschungsobjekt. Sie liefern die Zellen für das Pflanzenwachstum und ermöglichen es vielen Pflanzen, ihr ganzes Leben lang weiter zu wachsen, wodurch enorme Mengen an pflanzlicher Biomasse auf diesem Planeten produziert werden. Im Rahmen dieser Studie habe ich mich speziell auf die pflanzlichen Stammzellen, die Holz und Bast produzieren, konzentriert. Diese Stammzellen findet man als zylindrischen Stammzellverband, dem vaskulären Kambium, in der Wurzel, im Stamm und in dem Gewebe, das Wurzel und Stamm verbindet, dem Hypokotyl. Bei meinen Analysen habe ich mich auf das Hypokotyl der Modellpflanze Arabidopsis thaliana fokussiert, da dort die Holz- und Bastproduktion sehr aktiv ist und der Gewebeaufbau dem vaskulären Kambium von Bäumen ähnelt.

Eine vaskuläre Kambiumstammzelle produziert sowohl Holzvorläuferzellen nach innen als auch Bastvorläuferzellen nach außen. Daher muss sie zwischen den folgenden Zellschicksalen „wählen“: Holzvorläuferzelle werden, Bastvorläuferzelle werden oder Stammzelle bleiben. Auf Grundlage welcher Mechanismen diese erste Zellschicksalsentscheidung getroffen wird, ist bisher nicht geklärt. Um diesen Entscheidungsprozess besser zu verstehen, habe ich in einem ersten Schritt in Zusammenarbeit mit dem Mironova Labor Genregulationsnetzwerke mathematisch modelliert. Dies hat gezeigt, dass ein Netzwerk aus nur drei Genen, die sich gegenseitig auf spezifische Weise regulieren, ausreicht, um die oben genannten drei Zellschicksalsoptionen herbeizuführen. Ich habe anschließend die Hypothese aufgestellt, dass dieses Netzwerk aus zwei sich gegenseitig hemmenden Komponenten des Auxin- und des Cytokininsignalwegs bestehen könnte. Zusätzlich könnten diese Komponenten von WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX4 (WOX4), einem wichtigen Transkriptionsfaktor für Stammzellregulation im vaskulären Kambium, reguliert werden. Integriert in ein 1D-Modell generierte dieses Netzwerk bidirektionales Wachstum. Ich konnte durch in planta Analysen zeigen, dass die Auxin- und Cytokininsignaltransduktion spezifisch im vaskulären Kambium niedrig ist. Um meine Hypothese zu testen, habe ich untersucht, welche Gene der Auxin- und Cytokininsignalwege durch WOX4 reguliert werden, auch im Vergleich zu WUSCHEL, einem Stammzellregulator des Sprossapikalmeristems. Im Rahmen meiner Untersuchungen konnte ich spezifische Typ-A ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATORs (ARRs), die den Cytokininsignalweg negativ regulieren, als mögliche WOX4-Ziele identifizieren. Ich fand heraus, dass die Expression der Typ-A ARR Gene ARR5, ARR6, ARR7 und ARR15 im vaskulären Kambium des Hypokotyls reduziert ist. Darüber hinaus habe ich beobachtet, dass die Expression von ARR6 und ARR15 durch WOX4 herunterreguliert wird. Diese Art der Regulation von Typ-A ARRs wird auch durch WUSCHEL im Sprossapikalmeristem ausgeübt und könnte daher ein generelles Konzept der pflanzlichen Stammzellregulation darstellen. Zusätzlich deuten Ergebnisse dieser Studie darauf hin, dass WOX4 möglicherweise selbst durch Cytokinin über das DNA BINDING WITH ONE FINGER2.1 (DOF2.1) Protein reguliert wird. Von zentraler Bedeutung ist, dass die Mutation von ARR7 und ARR15 die Zellschicksals-Entscheidungen der vaskulären Kambiumstammzelle verändert und mehr Holzzellen produziert werden als in Wildtyppflanzen. Zusammenfassend legt diese Studie nahe, dass ein Mechanismus der Zellschicksals-Entscheidungen von vaskulären Kambiumstammzellen auf der Regulierung des Cytokininsignalwegs durch WOX4 und durch Typ-A ARRs basiert.