The molecular mechanisms of seed germination – omics analyses

Ing. Hana Dufková

Doctoral thesis

Molekulární mechanismy klíčení semen – omické analýzy

Abstract:

Rostliny žijí přisedlým způsobem života, a pravděpodobnost jejich přežití v podmínkách klimatických změn závisí na úspěšném rozmnožování semeny. Samotné klíčení semen je pak ovlivněno mnohými vnějšími i vnitřními factory, včetně teploty, dostupnosti vody a růstových regulátorů. Jednou z důležitých signálních molekul je peroxid vodíku, účastnící se regulace celé řady procesů, četně klíčení semen. Efekt peroxidu vodíku na stimulaci klíčení semen lilku (Solanum melongena) je popsán v první části experimentálních výsledků této práce. Tento efekt je pravděpodobně zprostředkován stimulací mechanizmů detoxifikujících reaktivní formy kyslíku. Malé proteiny tepelného šoku jsou rovněž zapojeny do odezvy na peroxid vodíku. Druhá část výsledků je zaměřena na tématiku fytohormonů a klíčení obilek ječmene a zahrnuje výsledky dvou studií. Náplní první studie bylo vytvoření spektrální knihovny proteomu obilek ječmene a její využití pro cílenou analýzu 1500 peptidů, odpovídajících 990 proteinům, u celkem 72 vzorků obilek jarního sladovnického ječmene, pocházejících z 12 rozdílných geografických lokalit. Korelační analýza získaných proteomických dat odhalila množství potenciálních markerů odrážející teplotní a srážkové podmínky prostředí, a stejně tak i markery související množstvím vyprodukovaných semen v daných podmínkách a jejich kvalitě. Mezidruhový validační experiment poskytnul podklady pro hypotézu evolučně konzervovaných mechanismů odrážejících vliv mateřského prostředí. Třetí část experimentálních výsledků této disertační práce tvoří ostatní proteomické studie: (i) role proteinů tepelného šoku v regulaci klíčení semen a (ii) interakce mezi rostlinami hrachu (Pisum sativum L.) a patogenem způsobujícím virovou mozaiku hrachu (Pea seed-borne mosaic virus). Všechny předkládané studie poskytly množství proteinových kandidátů, které mohou být dále využity v mechanistických studiích, ale i v procesu šlechtění odolnějších plodin.

Abstract:

Plants are sessile organisms, and as such, their persistence and survival in the face of climate change predominantly depend on successful reproduction by seed. Seed germination itself is influenced by multiple external and internal stimuli, including water availability, temperature, and growth regulators. Among others, hydrogen peroxide is recognized as an essential signaling molecule, regulating various cellular processes. The seed performance improvement by hydrogen peroxide is described in the first part of the experimental results. The results indicate that hydrogen peroxide promotes eggplant (Solanum melongena) seed germination, and the stimulatory effect is probably mediated by mobilizing ROS scavenging pathways and small heat shock proteins. The second part of the results is dedicated to barley seed germination and phytohormones. It provides experimental results of two complementary studies. First, a barley seed peptide library was utilized in a targeted screening of more than 1,500 peptides, representing 785 proteins, in 72 barley grain samples originating in 12 distinct geographical localities. The correlation analysis highlighted numerous putative temperature- and rainfall-responsive proteins and the seed grain yield and seed resilience markers. The cross-species validation experiment provided a basis for hypotheses of evolutionarily conserved mechanisms involved in abiotic stress responses in seeds. Second, barley seedling development under stress conditions was studied. The results confirmed an extensive cross-talk between abiotic stress and cytokinin responses in barley root proteome and metabolome. Two methodologies were developed to study barley seed germination: a procedure of plant proteome fractionation and the method for determining the seed germination phase. Finally, the third part of the results includes related proteomic projects: (i) the role of heat shock proteins in the regulation of seed germination and (ii) the plant-pathogen interaction between Pisum sativum L. and Pea seed-borne mosaic virus. Each part of the results provided numerous protein candidates, which may be used as novel targets for mechanistic studies or crop improvement.

Keywords

proteomika, metabolomika, ječmen

Keywords

metabolomics, barley, proteomics

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 5. 2021

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Břetislav Brzobohatý, CSc.
• Reader: Radomíra Vaňková, doc. RNDr., CSc., Jozef Šamaj, externi, Jutta Ludwig Müller, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Bio-omics