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type: doctoralThesis
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creators_name: Brugman, Rik
title: Quantification of calcium signatures in roots of
Arabidopsis thaliana
subjects: 570
subjects: 580
subjects: 630
divisions: 140001
adv_faculty: af-14
abstract: Calcium (Ca2+) is an essential second messenger in plant cells linking the perception of stresses at the plasma membrane to the appropriate defense response. The calcium signature theory states that for each perceived stress there is a unique calcium transient that triggers specific downstream responses. It is thought that the signaling specificity is encoded in the spatio-temporal pattern of cytosolic calcium concentration, which is in turn decoded by various intracellular calcium binding proteins. For 25 years now the calcium signature theory has not been conclusively proven, and alternative theories are now appearing. One of the problems remaining is that there is no standard method to quantify these spatio- temporal signals. The aim of this thesis was to develop a standard method to quantify calcium signatures in plants and start constructing a library of calcium signatures in response to different stresses. As a model system I used Arabidopsis thaliana roots expressing the R-GECO calcium sensor.
To quantify the spatio-temporal calcium response, the calcium signature was divided into six quantifiable parameters: (a) delay of the first detected calcium signal, (b) location of the first calcium signal, (c) duration of the calcium signal, (d) distance that the calcium wave traveled along the root, (e) velocity with which the calcium wave travels towards the root tip, and (f) velocity with which the calcium wave travels towards the shoot. Principle component analysis (PCA) was used to look for similarities and analyze the data. Responses to eleven elicitors (ATP, chitin, cellobiose, cold, D-serine, elf18, flg22, glutamate, NaCl, nlp20 and PG3) were tested. The results showed that, indeed, each elicitor resulted in a unique composition of the six parameters that together form the calcium signature. Moreover, calcium signatures in response to biotic versus abiotic elicitors formed two distinct groups. While biotic stress caused delayed calcium responses specific to the elongation zone of plant roots, abiotic stresses resulted in immediate and systemic calcium signatures. Further experiments suggested that ROS play a key role in restricting calcium signatures to the elongation zone in response to biotic stress and in propagation of calcium signals through the root in response to abiotic stress, indicating that there is crosstalk between reactive oxygen species (ROS) and calcium signatures to prioritize distinct stresses.
abstract_translated_text: Kalzium ist ein essentieller sekundärer Botenstoff in Pflanzenzellen, der die Wahrnehmung von Reizen an der Plasmamembran mit der entsprechenden Abwehrreaktion verbindet. Die Kalziumsignaturtheorie besagt, dass es für jeden wahrgenommenen Stress einen einzigartigen Kalzium-Transient gibt, der spezifische Downstream-Reaktionen auslöst. Es wird angenommen, dass die Signalspezifität in dem raum-zeitlichen Muster der zytosolischen Kalziumkonzentration kodiert ist, das wiederum von verschiedenen intrazellulären Kalziumbindungsproteinen erkannt wird. In den letzen 25 Jahren wurde die Kalziumsignaturtheorie noch nicht vollständig bewiesen und es gibt mittlerweile alternative Theorien. Eines der verbleibenden Probleme der Kalzium-Signatur- Theorie besteht darin, dass es keine Standardmethode zur Quantifizierung dieser raum-zeitlichen Kalziumsignale gibt.
Das Ziel dieser Arbeit war es, eine Standardmethode zur Quantifizierung von Kalziumsignaturen in Pflanzen zu entwickeln und eine Bibliothek von Kalziumsignaturen zu erstellen, die von unterschiedlichen Arten von Stress ausgelöst werden. Als Modellsystem wurden Wurzeln aus Arabidopsis thaliana verwended, die den Kalziumsensor R-GECO exprimierten.
Um die raum-zeitliche Kalziumsignatur zu quantifizieren, wurde die Kalziumsignatur in sechs quantifizierbare Parameter unterteilt: (a) Verzögerung des ersten detektierbaren Kalziumsignals, (b) Ort des ersten Kalziumsignals, (c) Dauer des Kalziumsignals, (d) zurückgelegte Entfernung der Kalziumwelle, (e) Geschwindigkeit, mit der sich die Kalziumwelle zur Wurzelspitze bewegte, und (f) Geschwindigkeit, mit der sich die Kalziumwelle zum Spross bewegte. Die Hauptkomponentenanalyse wurde verwendet, um Gemeinsamkeiten der Reaktionsmuster zu identifizieren. Die Reaktionen auf elf Elicitoren (ATP, Chitin, Cellobiose, Kälte, D-Serin, Elf18, Flg22, Glutamat, NaCl, nlp20 und PG3) wurden getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass tatsächlich jeder Elicitor zu einer einzigartigen Zusammensetzung der sechs Parameter führte, die zusammen die individuelle Kalziumsignatur ergaben. Darüber hinaus bildeten Kalziumsignaturen als Reaktion auf biotische beziehungsweise abiotische Elicitoren zwei unterschiedliche Gruppen. Während biotischer Stress eine verzögerte Kalziumreaktionen verursachte, die auf die Zellstreckungszone der Pflanzenwurzeln begrenzt waren, führten abiotische Reize zu sofortigen und systemischen Kalziumsignaturen. Weitere Experimente zeigten, dass reaktive Sauerstoffspezies (ROS) eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Kalziumsignaturen spielen. Die Antwort auf biotischen Stress wird durch ROS auf die Zellstreckungszone beschränkt wohingegen die Weiterleitung der Antwort auf abiotischen Stress durch ROS auf die gesamte Wurzel ausgedehnt wird. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ROS und Kalziumsignaturen zusammenarbeiten, um unterschiedliche Reize zu priorisieren.
abstract_translated_lang: ger
date: 2020
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00027377
ppn_swb: 1738655482
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-273771
date_accepted: 2019-09-27
advisor: HASH(0x556120b900e0)
language: eng
bibsort: BRUGMANRIKQUANTIFICA2020
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Brugman, Rik  (2020) Quantification of calcium signatures in roots of Arabidopsis thaliana.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/27377/1/Rik%20Brugman%20-%20Quantification%20of%20calcium%20signatures%20in%20roots%20of%20Arabidopsis%20thaliana%202019.pdf