Transcriptomic responses to severe boron toxicity in roots of Arabidopsis thaliana at single cell level
Arabidopsis thaliana köklerinde şiddetli bor toksisitesine karşıtek hücre düzeyinde transkriptomik yanıtlar
- Tez No: 946794
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CEYHUN KAYIHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Genetik, Biotechnology, Genetics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Başkent Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyokimya ve Genetik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji ve Genetik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Bor (B), bitki hücreleri için hayati öneme sahip temel bir bitki mikro besin elementidir. Hücre duvarı oluşumu ve hücre zarı bütünlüğü için gereklidir. Borun bitki hücrelerindeki konsantrasyon seviyesi dar bir aralıkta tutulmalıdır. Bor eksikliği, bitki büyümesinin durması ve gelişim süreçlerinin bozulması gibi olumsuz etkilere yol açar. Hücre duvarının kararlılığı için bor-köprü yapısı oluşturarak gerekli olan bor, hücrede yetersiz kaldığında kırılgan doku oluşumuna ve sonunda bitkinin ölümüne neden olur. Aşırı bor ise, benzer şekilde, büyümenin bozulması ve özellikle bor bakımından zengin topraklara sahip kurak bölgelerde önemli ürün kayıpları nedeniyle toksiktir. Bitki hücresinde bor dengesini tolere etmeye yönelik hücresel mekanizmalar, özellikle yüksek düzeyde bor uygulamalarında, hâlâ tam olarak anlaşılmamıştır. Bu çalışmada, yüksek düzeyde borka maruz bırakılmış (3 mM ve 5 mM) Arabidopsis thaliana kök hücreleri tek hücre düzeyinde incelenerek, bitkinin tolerans mekanizmalarının nasıl işlediği ortaya konulmuştur. Bu amaçla, Kontrol (col-0), 3 mM (3B) ve 5 mM (5B) ile muamele edilmiş hücre gruplarına 10x Genomics platformu kullanılarak tek hücreli RNA dizileme (scRNA-seq) uygulanmıştır. Bu yöntemle elde edilen transkriptomlar, hücreleri transkriptom profillerine göre kümelemek ve tanımlamak amacıyla Seurat R paketi ile analiz edilmiştir. Daha sonra, etkilenen hücresel mekanizmaları ortaya koymak için Gen Ontolojisi (GO) ve Kyoto Gen ve Genom Ansiklopedisi (KEGG) yol zenginleştirme analizleri yapılmıştır. Bu yaklaşım, Arabidopsis thaliana kök hücrelerinde kolumella, korteks, endodermis ve epidermis/kök şapkası gibi ana hücre tiplerinin anotasyonu ile 16 küme tanımlamıştır. Şiddetli bor toksisitesinin etkisi altında, transkripsiyonel yanıtlar oldukça hücre tipi spesifik olmuştur. Kolumella hücreleri, sitoplazmadaki yüksek bor düzeyini dışarı atmak için ATP-bağımlı detoksifikasyon yollarını yukarı regüle etmiştir. Korteks hücreleri, boru tutmak veya etkisizleştirmek için hücre duvarını yeniden yapılandırmaya yönelik geniş çaplı metabolik yeniden programlamadan geçmiştir. Epidermis ve kök şapkası ise, dış hücre katmanları olarak, sınır benzeri hücrelerin üretimi ve bor yüklü doku olarak dökülmesi için ribozom biyogenezi genlerinde yüksek düzeyde ekspresyon göstermiştir. Epidermis ve kök şapkasından oluşan en dış hücre katmanı, 5 mM bor uygulamasında en büyük transkriptomik değişimleri göstermiş ve bu katmanın toksik bor tedavisine karşı ilk savunma hattı olduğunu ortaya koymuştur. Bu belirgin fakat koordineli tepkiler, her bir kök hücre tipinin şiddetli bor toksisitesine karşı özelleşmiş stratejiler kullandığını göstermektedir. Tek hücreli yaklaşımımız, Arabidopsis thaliana kök hücrelerinin şiddetli bor toksisitesine karşı verdiği stres yanıtlarını hücre tipi bazında anlamamıza olanak sağlayarak, bitkilerin çevresel streslere adaptasyon mekanizmalarına dair yeni bakış açıları kazandırmaktadır. ANAHTAR KELİMELER: Bor Toksisitesi, Tek Hücre RNA Dizileme, Arabidopsis thaliana
Özet (Çeviri)
Boron (B) is an essential plant micronutrient vital plant cell. It is vital for cell wall formation and cell membrane integrity. Boron's concentration levels have a narrow range on the plant cells. Deficiency of boron cause negative impact such as plant growth arrest and disruption of developmental processes. It is essential for cell wall formation stability by forming boronbridge structure and insufficient boron on the cell causes fragile tissue formation, resulting as death of plant. Excess Boron aligning with parallel reasons toxic due to impaired growth and significant yield losses on crops especially in arid regions with boron-rich soil. Cellular mechanisms to tolerate boron balance in the plant cell, especially for severe boron treatment, remain poorly understood. In this study, severe boron treated (3mM and 5mM) Arabidopsis thaliana root cells have been investigated at single-cell level in order to reveal how plant tolerance mechanisms perform. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) using 10x Genomics platform has been applied to Control (col-0) 3mM (3B) and 5mM (5B) treated groups of cells. Transcriptomes resulting from this methodology have been analyzed with Seurat R package to cluster and identify cells based on their transcriptome profiles using differential gene expression (DGE) analysis. Then, Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway enrichment analysis have been applied to reveal cellular mechanisms that have been impacted. This Approach identified 16 clusters in Arabidopsis thaliana root cells with annotation of major cell types of columella, cortex, endodermis, and the epidermal/root cap. Under the influence of severe boron toxicity, transcriptional responses have been highly cell type specific. Columella cells upregulated ATP-dependent detoxification pathways to pump out high level of boron from the cytoplasm, cortex cells undergo broad metabolic reprogramming to remodel cellwall for sequestering or neutralizing boron and epidermis together with root cap, which are outer cell layers, demonstrated high expression levels of ribosome biogenesis genes to produce borderlike cells shed as a boron loaded tissues and export. The outermost cells layer consisting of epidermis and root cap demonstrated largest transcriptomic shifts with 5mM B treatment, which provides this layer is the first defense line against toxic boron treatment. The distinct yet coordinated responses demonstrate that each root cell type utilizes specialized strategies to handle severe boron toxicity. Our single-cell approach helps us to understand new insights into the mechanisms of plant stress adaptation to severe levels of boron stress environment, bringing out the value of cell-type-resolved transcriptomics in explaining stress responses of Arabidopsis thaliana root cells against severe boron toxic environments. KEYWORDS: Boron Toxicity, Single Cell RNA Sequencing, Arabidopsis thaliana
Benzer Tezler
- Cold climate grape cultivar's physiological and gene expression responses to low and freezing temperatures
Soğuk iklim üzüm çeşitlerinin düşük ve donma sıcaklıklarına karşı fizyolojik ve gen ifade tepkileri
TURHAN YILMAZ
Doktora
İngilizce
2021
ZiraatSouth Dakota State UniversityBitkisel Üretim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ANNE FENNELL
- Ceviz çeşitlerinin tuza tolerans durumlarının belirlenmesi ve cevizde tuz stresi ile ilgili genlerin RNA sekanslaması ile ortaya çıkarılması
Determination of salt tolerance levels of walnut cultivars and identification of genes responsible for salt stress in walnut by rnaseq analysis
MESUT ADA
- Proteome analysis of Brachypodium distachyon leaves under drought stress
Kuraklık stresi altında Brachypodium distachyon yapraklarının proteom analizi
ÖZGE TATLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Biyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GİZEM DİNLER DOĞANAY
- Glioblastoma tanılı ve tanıdan sonra uzun süreli yaşayan olgularda rna sekanslama tabanlı transkriptomik gen analizi ve ilişkili sinyal yolaklarının tespiti
Rna sequencing-based transcriptomic gene analysis and detection of related signal pathways in cases diagnosed with glioblastoma and surviving long-term after diagnosis
CAN KIVRAK
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
NöroşirürjiMarmara ÜniversitesiBeyin ve Sinir Cerrahisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN DAĞÇINAR
- Solübl IL-1 ve TNF reseptörlerinin sepsis ve COVİD-19 hastalığında biyobelirteç özelliklerinin incelenmesi
Investigation of biomarker features of soluble IL-1 and TNF receptors in COVID-19 and sepsis
MUHAMMED DOĞUKAN AKSU
Doktora
Türkçe
2025
Allerji ve İmmünolojiHacettepe ÜniversitesiTemel Onkoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HANDE CANPINAR