Praca doktorska
Rola genu NtZIP5 w tytoniu (Nicotiana tabacum) w regulacji homeostazy krzyżowej Zn i Cd
| dc.abstract.pl | Cynk (Zn) jest niezbędnym mikroelementem, a kadm (Cd) jest wysoce toksycznym metalem ciężkim, który hamuje wzrost i rozwój roślin. U roślin homeostaza Zn i Cd jest ściśle ze sobą powiązana i zależy od wzajemnego stężenia obu metali. Homeostaza metali to zdolność do utrzymania optymalnych stężeń metali w komórkach i tkankach organizmów w zmieniających się warunkach środowiskowych. Rośliny kontrolują to poprzez procesy, takie jak pobieranie metali, załadunek i rozładunek w ksylemie oraz sekwestrację w wakuolach. W większości roślin Cd hamuje translokacje Zn, ale wstępne badania wykazały, że w tytoniu obecność Cd stymuluje translokację Zn do pędów, gdy rośliny rosną w ściśle określonych kombinacjach stężeń Zn i Cd. Towarzyszyła temu zmieniona ekspresja NtZIP5 w korzeniach. Postawiono hipotezę, że NtZIP5 może być zaangażowany w kontrolę homeostazy Zn/Cd oraz w translokację obu metali. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej było zrozumienie roli NtZIP5 w regulacji homeostazy krzyżowej Zn i Cd. Badania prowadzone w ramach niniejszej pracy doktorskiej wykazały, iż w genomie tytoniu obecne są dwie kopie genu NtZIP5 (NtZIP5A i NtZIP5B), które najprawdopodobniej pełnią podobną funkcję. Większość szczegółowych analiz prowadzono na kopii NtZIP5B. Wykazano, iż kodowane białko zlokalizowane jest w błonie komórkowej, a jego funkcją jest pobieranie Zn i Cu (miedź) ale także i Cd. NtZIP5B to gen, którego ekspresja indukowana jest w korzeniach deficytem kilku metali - Zn, Cu, Fe (żelazo) i Mn (mangan), a także modyfikowana obecnością Cd co potwierdza jego udział w regulacji homeostazy krzyżowej metali. Aktywność promotora NtZIP5B jest regulowana wieloma czynnikami transkrypcyjnymi związanymi m.in. z odpowiedzią na obecność metali w tym deficytu mikroelementów oraz na obecność fitohormonów. Dla określenia funkcji NtZIP5 wyprowadzono transgeniczne rośliny NtZIP5-RNAi z obniżonym poziomem transkryptu badanego genu. Potwierdzono udział NtZIP5 w regulacji homeostazy krzyżowej Zn/Cd, a analiza wzoru ekspresji wybranych transporterów metali wykazała, iż w tym procesie poza NtZIP5B zaangażowane są także inne geny z rodziny ZIP. Analizy poziomu transkryptu NtZIP1-like, NtZIP2, NtZIP4A, NtZIP4B, NtZIP5A, NtZIP5B, NtZIP5-like, NtZIP8, NtZIP11, NtIRT1, NtIRT1-like wykazała, iż ich ekspresja jest zależna od stężenia Zn i Cd, a także od części korzenia. Podzielono je na cztery grupy różniące się wzorem ekspresji w apikalnej, środkowej i nasadowej części korzenia w obecności kombinacji stężeń Zn i Cd. Szczególny udział w regulacji homeostazy Zn i Cd wykazano w przypadku genów NtZIP8, NtZIP1-like, NtZIP4A, NtZIP4B i NtIRT1, a także włączonym do analiz NtVTL Badania prowadzone w ramach niniejszej pracy doktorskiej wykazały także, iż dystrybucja Zn i Cd wzdłuż korzenia głównego zależna jest od kombinacji stężeń obu metali w podłożu. Wynik ten sugeruje rolę części środkowej i nasadowej korzenia głównego w gromadzeniu nadmiaru Zn i Cd (gdy roślina rośnie w obecności wysokich stężeń metali), co najprawdopodobniej jest mechanizmem ochronnym części merystematycznej przed ich toksycznym działaniem. Niniejsza praca doktorska dostarcza licznych nowych danych na temat regulacji homeostazy Zn i Cd u roślin, jednak kolejne badania są konieczne do poznania pełnego mechanizmu odpowiedzi roślin na stres związany z obecnością metali. |
| dc.abstract.pl | Zinc (Zn) is an essential micronutrient, while cadmium (Cd) is a highly toxic heavy metal that inhibits plant growth and development. In plants Zn and Cd homeostasis is closely related and depends on the mutual concentration of both metal. Metal homeostasis is the ability to maintain optimal concentrations of metals in the cells and tissues of organisms in changing environmental conditions. Plants control metal homeostasis through processes such as metal uptake, xylem loading and unloading, and sequestration in vacuoles. In most plants, Cd inhibits Zn translocation, but preliminary studies have shown that in tobacco, the presence of Cd stimulates Zn translocation to shoots when plants are grown at specific combinations of Zn and Cd concentrations. This was accompanied by altered expression of NtZIP5 in roots. The hipotesis was that, NtZIP5 may be involved in the control of Zn/Cd homeostasis and in tranclocation of both metals. The aim of this PhD thesis was to understand the role of NtZIP5 in the regulation of Zn and Cd cross-homeostasis. The research conducted in this doctoral thesis has shown that two copies of the NtZIP5 gene (NtZIP5A and NtZIP5B) are present in the tobacco genome, which most likely have a similar function. Most of the detailed analyses were carried out on the NtZIP5B copy. It has been demonstrated that the encoded protein is located in the cell membrane and functions as an uptake transporter for Zn, Cu (copper), and Cd. The expression of NtZIP5B is induced in the roots under the deficiency of several metals - Zn, Cu, Fe (iron), and Mn (manganese), and it is also modified by the presence of Cd, confirming its involvement in regulating the cross-homeostasis of these metals. The activity of the NtZIP5B promoter is regulated by multiple transcription factors, which are associated with responses to the presence of metals, including microelement deficiency, and the presence of phytohormones. To determine the function of NtZIP5, transgenic plants with reduced levels of the NtZIP5 transcript (NtZIP5-RNAi) were generated. The involvement of NtZIP5 in the regulation of Zn/Cd cross-homeostasis was confirmed, and the analysis of the expression pattern of selected metal transporters showed that, besides NtZIP5B, other genes from the ZIP family are also involved in this process. Analyses of the transcript levels of NtZIP1-like, NtZIP2, NtZIP4A, NtZIP4B, NtZIP5A, NtZIP5B, NtZIP5-like, NtZIP8, NtZIP11, NtIRT1, NtIRT1-like genes revealed that their expression is dependent on the concentrations of Zn and Cd, as well as the specific region of the root. They were divided into four groups with distinct expression patterns in the apical, middle, and basal parts of the root under the presence of various combinations of Zn and Cd concentrations. A significant role in the regulation of Zn and Cd homeostasis was demonstrated for NtZIP8, NtZIP1-like, NtZIP4A, NtZIP4B, and NtIRT1 genes, as well as NtVTL(also included in the analyses). Furthermore, the research conducted in the doctoral thesis also suggests that the distribution of Zn and Cd along the main root depends on the combination of both metal concentrations in the substrate. This result suggests the role of the middle and basal parts of the main root in accumulating excess Zn and Cd (when a plant grows in the presence of high metal concentrations), most likely as a protective mechanism for the meristematic part against their toxic effects. Presented doctoral thesis provides numerous new insights into the regulation of Zn and Cd homeostasis in plants. However, further studies are necessary to fully understand the mechanisms underlying the responses of plants to metal-related stress. |
| dc.affiliation.department | Wydział Biologii |
| dc.contributor.author | Palusińska, Małgorzata |
| dc.date.accessioned | 2023-11-28T08:07:44Z |
| dc.date.available | 2023-11-28T08:07:44Z |
| dc.date.defence | 2023-12-08 |
| dc.date.issued | 2023-11-28 |
| dc.description.additional | Link archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4796 |
| dc.description.promoter | Antosiewicz, Danuta |
| dc.description.promoter | Barabasz, Anna |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4796 |
| dc.language.iso | pl |
| dc.rights | ClosedAccess |
| dc.subject.pl | translokacja |
| dc.subject.pl | akumulacja |
| dc.subject.pl | korzeń |
| dc.subject.pl | ZIP |
| dc.subject.pl | tytoń |
| dc.subject.pl | homeostaza |
| dc.subject.pl | kadm |
| dc.subject.pl | cynk |
| dc.subject.pl | translocation |
| dc.subject.pl | accumulation |
| dc.subject.pl | root |
| dc.subject.pl | tobacco |
| dc.subject.pl | homeostasis |
| dc.subject.pl | cadmium |
| dc.subject.pl | zinc |
| dc.title | Rola genu NtZIP5 w tytoniu (Nicotiana tabacum) w regulacji homeostazy krzyżowej Zn i Cd |
| dc.title.alternative | Role of NtZIP5 gene in tobacco (Nicotiana tabacum) in the regulation of Zn and Cd cross homeostasis |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |