Proteome dynamics during plant organogenesis

Bc. Marharyta Kuzmenko

Master's thesis

Změny proteomu během organogeneze rostlin

Abstract:

Regenerační schopnost rostlin je zásadní pro zachování jejich strukturální a funkční integrity během nepříznivých environmentálních podmínek a je využívána in vitro pro různé biotechnologické aplikace, včetně de novo organogeneze, která představuje jednu z hlavních technik nových šlechtitelských strategií pro zlepšování plodin. Získání organogenní kompetence v založené kalusové tkáni má zásadní význam pro úspěšnost regenerace rostlin pomocí de novo organogeneze. Tento proces, který vyžaduje změnu buněčného programu, je velmi variabilní mezi jednotlivými druhy a genotypy. Teoretická část této práce shrnuje regeneraci rostlin, popisuje model molekulární podstaty organogeneze a de novo organogeneze a nastiňuje využití regeneračních technik. Experimentální část, realizována ve spolupráci s Výzkumným ústavem bramborářským v Havlíčkově Brodě, charakterizuje proteom a metabolom kalusových tkání pocházejících z dvou kontrastních genotypů planých druhů rodu Pisum. Tato práce kvantifikovala více než 2200 proteinů a 300 metabolitů a odhalila rozsáhlé přeprogramování proteomu a metabolické změny související s genotypem rostliny a organogenní kompetencí. Nalezené odlišně zastoupené proteiny se podílejí na biosyntéze fytohormonů, včetně ethylenu, kyseliny jasmonové a kyseliny abscisové, metabolismu buněčné stěny a biosyntéze ligninu, skládání a degradaci proteinů, reakcích na abiotický a biotický stres a biosyntéze flavonoidů. Získané výsledky přinášejí nový pohled na organogenezi. Identifikované potenciální faktory podporující organogenezi pak spolu s dalším výzkumem otevírají slibné možnosti pro vývoj nových odrůd Pisum sativum.

Abstract:

Plant regenerative capacity is vital for maintaining its structural and functional integrity during adverse environmental stresses. This capacity can be utilised for various biotechnological applications in vitro, including de novo organogenesis – a major plant regeneration technique for crop improvement through new breeding strategies. The acquisition of organogenic competency in established callus tissue is of critical importance for the success of plant regeneration through de novo organogenesis. This process relies on cell fate reprogramming and is highly variable between species and genotypes. The theoretical part of this study reviews plant regeneration, the established molecular models of plant organogenesis and de novo organogenesis, and outlines applications of regeneration techniques. The experimental part done in collaboration with the Potato Research Institute in Havlíčkův Brod characterises the proteome and metabolome of the callus tissues obtained from two contrasting genotypes of wild Pisum species. This analysis quantified over 2200 proteins and 300 metabolites, revealing the extensive proteome reprogramming and metabolic shifts associated with plant genotype and organogenic competency. The quantified differentially abundant proteins were found to be involved in the biosynthesis of phytohormones, including ethylene, jasmonic acid, and abscisic acid, cell wall metabolism and lignin biosynthesis, protein folding and degradation, abiotic and biotic stress responses, and flavonoid biosynthesis. Integrating these findings sheds new light on organogenesis. The identified putative organogenesis-promoting factors, coupled with further research, hold promise for developing novel Pisum sativum varieties.

Keywords

Pisum, de novo organogeneze, metabolomika, hormonální signalizace, regenerační kompetence, proteomika

Keywords

de novo organogenesis, regeneration competency, proteomic, metabolomic, phytohormones, Pisum

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 3. 6. 2024
• Supervisor: doc. Mgr. Martin Černý, Ph.D.
• Reader: Veronika Hýsková, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Master programme / specializace:
Molecular Biology and Biotechnology / Plant Molecular Biology and Biotechnology