Metabolite profiling of mutants for genes induced by ...

31
Metabolite profiling of mutants for genes induced by osmotic stress in germinated Arabidopsis seeds Author: Brend Kemperman [email protected] MSc student Plant Biotechnology Reg: 910319427030 Supervisors: Anderson Silva Wilco Ligterink Laboratory of Plant Physiology

Transcript of Metabolite profiling of mutants for genes induced by ...

MetaboliteprofilingofmutantsforgenesinducedbyosmoticstressingerminatedArabidopsisseeds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Author: Brend Kemperman 

[email protected] 

MSc student Plant Biotechnology 

Reg: 910319427030 

Supervisors: Anderson Silva 

Wilco Ligterink 

Laboratory of Plant Physiology 

2  

TableofContentsAbstract ............................................................................................................................................................................................. 3 

Keywords ........................................................................................................................................................................................... 3 

Introduction ....................................................................................................................................................................................... 4 

LEA ................................................................................................................................................................................................. 4 

HSP................................................................................................................................................................................................. 4 

ABA ................................................................................................................................................................................................ 4 

Metabolomics ................................................................................................................................................................................ 5 

Mutant lines ................................................................................................................................................................................... 5 

Material and methods ....................................................................................................................................................................... 8 

Selection of homozygous mutant lines .......................................................................................................................................... 8 

Plant material and Re‐establishment of DT ................................................................................................................................... 8 

Re‐establishment of DT by treating with PEG ................................................................................................................................ 9 

Metabolomics ................................................................................................................................................................................ 9 

Dehydration curve;  natural re‐establishment of DT ................................................................................................................... 10 

Natural re‐establishment of DT ................................................................................................................................................... 10 

Results ............................................................................................................................................................................................. 11 

Genotyping .................................................................................................................................................................................. 11 

Re‐establishment of DT by treating with and without PEG ......................................................................................................... 11 

Metabolomics .............................................................................................................................................................................. 12 

Natural re‐establishment of DT ................................................................................................................................................... 15 

Discussion ........................................................................................................................................................................................ 16 

Genotyping .................................................................................................................................................................................. 16 

Re‐establishment of DT by treating with PEG .............................................................................................................................. 16 

Metabolomics .............................................................................................................................................................................. 16 

Natural re‐establishment of DT ................................................................................................................................................... 17 

Possible future projects ................................................................................................................................................................... 18 

Acknowledgements ......................................................................................................................................................................... 18 

References ....................................................................................................................................................................................... 19 

Appendix .......................................................................................................................................................................................... 23 

A.  Protocol:  DNA extraction ................................................................................................................................................ 23 

B.  Composition of Hyponex ................................................................................................................................................. 24 

C.  Mutant lines .................................................................................................................................................................... 25 

D.  Protocol: Extraction of metabolites (polar + apolar phase) for GC‐TOF‐MS .................................................................... 26 

E.  Batches greenhouse ........................................................................................................................................................ 27 

F.  Re‐establishment of DT with natural drying .................................................................................................................... 29 

G.  Metabolomics graphs ...................................................................................................................................................... 30 

 

3  

AbstractDesiccation tolerance is the ability of an organism to survive a 0.1g H2O per gram of dry weight and be able to 

be  rehydrated without  any  lethal  damage  to  the  organism  itself.  The  aim  of  this  study  is  to  search  for  a 

metabolic  profile  in  preselected Arabidopsis  thaliana mutant  lines which  can  explain  desiccation  tolerance. 

Mutant lines that showed a greater or lower establishment of desiccation tolerance were selected. Sod1, daa1 

and di19 showed a greater establishment and atvip1 a lower establishment of desiccation tolerance. GC‐TOF‐

MS analysis of these four  lines showed a general trend of  increase upon treatment with polyethylene glycol. 

Specific plant metabolites  such as valine,  isoleucine and  leucine which are metabolites  that  form a defence 

mechanism against drought stress were increased. This also applies for raffinose and proline which both act as 

a protectant against reactive oxygen species. Asparagine and threonine which are involved in salt tolerance are 

also increased for all lines. However other metabolites such as alanine, glutamine and glutamic acid which are 

expected to increase upon salt stress and tryptophan and phenylalanine which are expected to increase upon 

drought  stress,  were  either  not  increased  for  all  lines,  no  change  occurred  or  were  even  decreased  in  

abundance upon treatment with polyethylene glycol. In general, no clear metabolic profile has been found that 

could explain desiccation tolerance for germinated A. thaliana seeds. Furthermore a general trend of the lines 

upon treatment with polyethylene glycol was found and results partly correspond to previous reported results 

in literature.  

Keywords ABA  Abscisic Acid DAP  Days after pollination  DW  Dry Weight FW  Fresh weight GC  Green Cotyledon HSP  Heat Shock Protein sHSP  Small Heat Shock Protein LEA  Late Embryogenesis Abundant PEG  polyethylene glycol RH  Relative humidity RH  Root Hair ROS  Reactive oxygen species RP  Radicle Protrusion TR  Testa Rupture WC  Water content 

4  

Introduction Desiccation tolerance (DT) is the ability of a plant to be dehydrated until water content around molecules is lost 

and to be rehydrated without causing lethal damage to the cells (Hoekstra, Golovina et al. 2001). DT is different 

from drought tolerance. In drought tolerant conditions, cells have a minimal amount of water available to keep 

specific  tissues hydrated  to  stay alive. Water  content of  cells  that are drought  tolerant  is ~0.3g of water at 

minimum  (H2O/g dry weight), whereas  for DT  it  is ~0.1g  (H2O/g dry weight). DT  is based on  the  stability of 

tissues  to  replace  water  with  sugars, metabolites  and  other molecules  that  form  hydrogen  bonds,  which 

stabilize the proteins and membranes. During desiccation a glassy state of the cytoplasm is formed, which is a 

state where molecular diffusion and  chemical  reactions are  reduced  (Hoekstra, Golovina et al. 2001). Other 

macromolecules that play a role  in   establishing (DT) are:  late embryogenesis abundant proteins (LEA’s), heat 

shock proteins (HSP’s) and abscisic acid (ABA).  

LEALEA’s are already studied for years and are not plant specific proteins (Hundertmark and Hincha 2008) because 

they have also been found  in: bacteria (Bacillus subtilis) (Stacy and Aalen 1998) and nematodes (Aphelenchus 

avenae)  (Browne, Tunnacliffe et al. 2002). Precise  function, even when a  LEA76 homologue  shows  that  it  is 

involved  in establishing DT,  is unknown  (Battista, Park et al. 2001).  In A.  thaliana,  the ABRE  (ABA  responsive 

element) core motif is present in the promoters of 82% of all LEA genes (Hundertmark and Hincha 2008). This 

high  percentage  of  ABREs  in  LEA  promoters  suggest  that  ABA  is  also  involved  in  activating  LEA  proteins. 

Furthermore LEA proteins have been shown to prevent aggregation of dehydration‐sensitive proteins for which 

the LEA proteins have a peptide profile that is shared with some chaperones (Wise and Tunnacliffe 2004, Goyal, 

Walton et al. 2005, Tunnacliffe and Wise 2007). A simpler explanation for the function of LEA proteins  is that 

they  improve glass stability  (Wolkers, Tetteroo et al. 1999). This  function  is called a  ‘molecular shield’ where 

the  interaction between partially denatured proteins  is decreased due to a physical barrier that  is formed by 

the LEA proteins which have a very  flexible structure  (Wise and Tunnacliffe 2004, Goyal, Walton et al. 2005, 

Tunnacliffe and Wise 2007).   

HSPHeat shock proteins (HSPs) are proteins ranging from 60 to 110 kDa in size. The HSPs family has subgroups of 

small heat shock proteins  (sHSPs)  (14‐43 kDa), which act as molecular chaperones  (Hendrick and Hartl 1993, 

Sun and MacRae 2005). HSPs and sHSPs bind to a partially folded or denatured substrate of proteins and it can 

promote correct substrate folding and prevent irreversible aggregation (Sun, Van Montagu et al. 2002, Sun and 

MacRae  2005).  HSP17.4,  for  instance,  is  expressed  in  the whole  embryo  in mature  seeds  (Wehmeyer  and 

Vierling 2000), which might indicate that HSPs have an important role in protecting the whole embryo during a 

period of dehydration. Furthermore, abscisic acid  (ABA) can  induce the expression of HaHSP17.9‐CII  in water 

stressed sunflowers (Coca, Almoguera et al. 1994, Coca, Almoguera et al. 1996). To strengthen this argument, 

in desiccation tolerant callus of the resurrection plant Craterostigma plantagineum treated with ABA, cytosolic 

sHSPs were found which are  homologous to HaHSP17.9‐CII (Alamillo, Almoguera et al. 1995). 

ABAABA  is  involved  in multiple  pathways  that  are  involved  in  establishment  of  DT  in  seeds.  It  is  involved  in 

enhancing transcription of HSP and LEA proteins, however function or mechanisms that LEA proteins and HSPs 

follow, are still unknown (Coca, Almoguera et al. 1994, Alamillo, Almoguera et al. 1995, Coca, Almoguera et al. 

1996, Hundertmark and Hincha 2008). ABA itself is needed to develop DT in seeds and it inhibits germination of 

precocious seeds (Meurs, Basra et al. 1992). It was found that ABA is involved in establishing DT in the seeds 13 

days after pollination (DAP) (Koornneef, Hanhart et al. 1989). ABA sensitivity correlates with the ability to re‐

establish  DT  during  germination  in  A.  thaliana  and  reduced  re‐establishment  of  DT  is  observed  for  ABA‐

insensitive and ABA–deficient mutants  (Maia, Dekkers et al. 2014). ABA  therefore,  is an  important hormone 

involved in (re) establishment of DT.  

5  

MetabolomicsAmong  responses  of  plants  to  stress  due  to  a  change  in  environmental  conditions,  is  a  change  in  the 

accumulation  of  sugars,  amino  acids,  betaines,  organic  acids  and  other  osmolytes  (compounds  affecting 

osmosis)  in  the  cytoplasm. Most  amino  acids  show  a  linear  increase when drought  stress  is  induced  and  a 

decline of amino acids is observed upon rehydration (Delauney and Verma 1993). Branched chain amino acids 

(BCAA’s)  like  leucine,  isoleucine  and  valine  are  amino  acids  that  are  involved  in plant defence mechanisms 

against  abiotic  stresses  and  are  actively  involved  in  osmotic,  drought  and  salt  stress  tolerance  (Nambara, 

Kawaide et al. 1998). Free amino acids as leucine, isoleucine, proline, valine and phenylalanine are significantly 

increased  in  leaves,  flowers and siliques  in A.  thaliana during drought stress  (Nambara, Kawaide et al. 1998) 

similar  results were  found  in  (Joshi,  Joung et al. 2010). Continuing, a  recent  study  showed  that a  feedback‐

insensitive form of a key enzyme of methionine synthesis resulted  in an  increase of BCAA’s, sugars, proteins, 

starch and other amino acids, which resulted,  in an  increased germination rate of the transgenic seeds under 

salt and osmotic  stresses. This also occurred when ethylene or abscisic acid was added  to A.  thaliana  seeds 

(Cohen, Israeli et al. 2014). 

Sugars also play a role in establishing DT. It has been found in soybean (Glycine max L. Merr. Cv Williams) corn 

(Zea mays  L.  cv Merit)  and pea  (Pisum  sativum  L.  cv Alaska)  that oligosaccharides  are present  in  the  seeds 

during DT  induction  and DT  is  lost when  the  concentration of oligosaccharides  are decreasing  in  the  seeds 

(Koster and Leopold 1988). It also has been found that increases of stachyose, raffinose and sucrose in soybean 

(Glycine max L. Merril cv Chippewa 64) and red oak (Quercus rubra L.) seeds is correlated with establishment of 

DT (Blackman, Obendorf et al. 1992, Sun,  Irving et al. 1994). A glassy state, or formation of  intracellular glass 

found  in corn seeds, occurs when the water content  in the seeds  is decreased and could help to protect the 

embryos  from damage  caused by DT  (Williams  and  Leopold 1989, Koster 1991). The glassy  state  is  a  liquid 

solution with  a  viscosity of  a  solid present  in  the  cells of  the  seed  that  consists of  a high  concentration of 

solutes,  for  instance  soluble  sugars  (Williams and  Leopold 1989, Koster 1991). The glassy  state  is  lost again 

upon  imbibition  on which  biochemical  activity  is  resumed  in  the  seed  (Williams  and  Leopold  1989). Other 

compounds  such  as  proline,  glutamate,  glycine‐betaine,  carnitine,  mannitol,  sorbitol,  fructans,  polyols, 

trehalose  and  sucrose  are  also  helping  to  keep  proteins  from  denaturation  and  membranes  from  fusing 

together(Hoekstra, Golovina et al. 2001).  

Mutantlines

To investigate the role of  genes induced by osmotic stress, 

re‐establishment  of  DT  and  metabolite  profiling  were 

performed  in germinated A.  thaliana  seeds. Eight mutants 

with T‐DNA  insertions were tested (atcc, at1g614304, daa1, 

asn1,  di19,  at1g07728,  atvip1  and  jmjd5)  which  showed 

greater  expression  in  re‐establishment  of  DT.    ATCC  is 

responsible  for  CuZnSOD  activity  (Chu,  Lee  et  al.  2005). 

CuZnSOD,  or  copper/zinc  superoxide  dismutase,  found  in 

the  chloroplast  is  an  enzyme  that  is  responsible  for 

catalysing reactive oxygen species  (ROS)  (fig 2). These ROS 

include  superoxide,  hydrogen  peroxide  and  hydroxyl 

radicals.  These  molecules  are  generated  as  a  by‐product 

during metabolism in cells and they might cause damage to 

the  organism  itself  (Imlay  and  Linn  1988).  There  are  two 

other SOD systems found in plants, namely manganese SOD 

(MnSOD) and iron SOD (FeSOD) which can catalyse the ROS 

(Bowler, Van Camp et al. 1994, Zelko, Mariani et al. 2002, 

Gao, Ren et al. 2003). Furthermore, other molecules as the 

organic  compound  ascorbate  acid  (AsA) which  is  oxidized 

Figure 2 image taken from Allen (1995), which describesthe  dismutation/disproportionation  of  superoxideradicals (O2

‐) by SOD associated with PSI. The H2O2 is thencatalysed  by  tAPX  and  sAPX  into  harmless  H2O.  Themonodehydroascorbate  radicals  (MDA) produced by  theAPX  are  converted,  with  reactions  with  Fd  ormomodehydroascorbate reductase (MDHAR), to ascorbicacid  (AsA).  Dehydroascorbate  reductase  (DHAR)  iscatalyzing the DHA to AsA. 

6  

form  dehydroascorbic  acid  (DHA),  ascorbate  peroxidase  (APX)  and  glutathione  reductase  (GR)  are  active  in 

chloroplasts.  In  the  cytosol  there  are  also  hydrogen  peroxide  scavenging  enzymes  present, which  help  to 

protect the cells from damage caused by hydrogen peroxide and hydroxyl radicals (Smith, Vierheller et al. 1989, 

Asada 1992, Smirnoff and Wheeler 2000). No expression of ATCC is observed during germination and it is mildly 

down regulated during abiotic stress in the root and down regulated during osmotic and salt stress in the shoot 

(Table 1). 

At1g614304  is a S‐Locus  lectin protein kinase  family protein  involved  in protein amino acid phosphorylation. 

Not much is known about this protein family. It is expressed in the root during osmotic, salt and drought stress, 

but not during germination or abiotic stress in the shoot (Table 1). 

DAA1 an ATPase protein that is activated by the R2R3 MYB (a gene family in A. thaliana) (Stracke, Werber et al. 

2001)  transcription  factor DUO1. Up  regulation  is observed  in 14 day old seedlings upon drought, cold, heat 

and salt stress. Also  in syncytia At1g64110  is upregulated (Ali, Plattner et al. 2013). Furthermore, this gene  is 

induced  in germ cells by DUO1 for differentiation (Borg, Brownfield et al. 2011). The gene  is down regulated 

during  germination  but  highly  upregulated  in  the  root  during  osmotic  stress  and  in  the  shoot  during  both 

osmotic and salt stress (Table 1).  

ASN1 transcribes a glutamine‐dependent asparagine synthase 1, which is one of three ASN genes in A. thaliana. 

It is predominantly expressed in shoot tissues and asparagine plays an important role in transport and storage 

of  assimilated  nitrogen  (Lam,  Peng  et  al.  1994,  Lam, Hsieh  et  al.  1998). Asparagine  itself  can  enhance  the 

tolerance of seedlings and plants, at least when added exogenous, to NaCl (Lehle, Chen et al. 1992). The gene is 

down regulated during germination but highly upregulated during osmotic and salt stress in the root, whereas 

in the shoot it is down regulated during salt and osmotic stress (Table 1).  

DI19 encodes the drought induced 19 protein which acts as a transcriptional regulator. DI19 regulates several 

pathogenesis related (PR)   genes (PR1, PR2 and PR5) which are  involved  in plant responses to drought stress. 

DI19 is regulated by CPK11 which acts as a positive upstream regulator (Liu, Zhang et al. 2013) and CPK11 itself 

is again regulated by ABA (Zhu, Yu et al. 2007). DI19 is down regulated during germination and osmotic stress in 

the root. It is however upregulated during both osmotic and drought stress in the shoot and mildly upregulated 

during salt stress in the shoot (Table 1). 

AtG07728  transcribes a potential natural antisense gene, and  the  locus overlaps with At1G07725 which  is a 

protein that is a member of the EXO70 gene family which is important for cell and organ differentiation (Synek, 

Schlager et al. 2006). No expression data was found in the Arabidopsis eFP 

Browser (Table 1). 

AtVIP1  transcribes a myo‐inositol hexakisphosphate kinase  (AtVIP1)  that, 

when overexpressed,  shows hypersensitivity  to ABA at  seed germination 

and  seedling  stages  is  observed  and  significantly  enhanced  drought 

tolerance  in  transgenic  plants  (see  fig  3).  AtVIP1  is  a  regulator  of  the 

transcription  factor  AtMYB44(Xu,  Chen  et  al.  2015). When  AtMYB44  is 

overexpressed, an  increased sensitivity to ABA for seeds germination and 

enhanced  drought  tolerance  is  observed.  This  drought  tolerance  is 

probably obtained by stomatal closure  (Jung, Seo et al. 2008). Expression 

of  the  gene  is  down  regulated  during  germination  and  no  up  or  down 

regulation of  the gene  is observed during abiotic stress  in both  root and 

shoot (Table 1).  

At3g20810  transcribes  JMJD5  and  JMJ30  which  are  jumonji  domain 

containing 5 and  jumonji c domain‐containing protein 30  respectively, 

Figure  3:  Schematic drawing  from Xu, Chen et al.  (2015). VIP1  is affected by MPK6 which upregulates MYB44 which increases  drought  tolerance  and sensitivity to ABA. 

7  

which  are  histone  demethylases  that  are  involved  in  regulating  chromatin  structure  and  gene  expression. 

JMJD5 is co‐regulated with evening‐phased clock components and it affects the expression of clock genes that 

are  induced  at  dawn.  JMJ30  is  a  protein  that  regulates  the  circadian  clock  in  association with  the  central 

oscillator  and  it  is  repressed when  it  is bound with CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED1  and  LATE ELONGATED 

HYPOCOTYL, which are suggested to form a feedback loop in the circadian clock. (Jones, Covington et al. 2010, 

Lu, Knowles et al. 2011). As mutant  line atvip1, expression of the gene  is down regulated during germination 

and no differential regulation of the gene is observed during abiotic stress in both root and shoot (Table 1). 

The objective was  to  study genes  that play a  role  in  re‐establishment of DT upon polyethylene glycol  (PEG) 

treatment. Re‐establishment of DT was tested on four developmental stages of germinated A. thaliana seeds: 

when seeds where at  testa rupture  (TR), radicle protrude  (RP),  first appearance of root hairs  (RH) and when 

cotyledons  turned  green  (GC).  Metabolomics 

analysis of selected mutant  lines atcc, daa1, di19 

and  atvip1  for  the  RH  stage  was  performed  to 

search  for  a metabolic profile with  a  correlation 

with DT. Mutant  lines showed no clear metabolic 

profile  that  could  explain  desiccation  tolerance 

for germinated A. thaliana seeds. A general trend 

of the lines upon treatment with PEG was found.  

 

 

Figure  1  Developmental  stages  of  germinating  Arabidopsisseeds; Testa Rupture (TR), Radical Protrusion (RP), Root Hair (RH),Cotyledons Greening (GC) 

8  

Materialandmethods

SelectionofhomozygousmutantlinesOne leaf of the rosette or flower of each plant was used for DNA extraction. The DNA extraction protocol can 

be  found  in  Appendix  A.  Primers were  designed  (http://signal.salk.edu/tdnaprimers.2.html)  to  identify  the 

insertion in each line. Forward‐ plus reverse primer master mix and forward‐ ,reverse plus border (SALK or SAIL) 

primer master mix were used to check location of the insertions. The first combination was used to check if the 

WT allele was present in that specific line, whereas the second combination was to check if the SALK or SAIL T‐

DNA  insertion was present. Each A. thaliana plant that showed only one amplicon smaller than the wild type 

amplicon was considered as being homozygous plant. Heterozygous plants would show two bands, one for the 

wild type and one band for the inserted T‐DNA. Heterozygous plants were discarded and a second check of the 

selected homozygous plants were performed by checking  it on a gel with new extracted DNA  from a  leaf or 

flower. When homozygosis was again  confirmed,  the  selected plants were grown until  the  seeds were  fully 

matured.  

PlantmaterialandRe‐establishmentofDTMutant line were growth in the greenhouse on a table that has a flood feeding function. Relative humidity (RH) 

in the greenhouse was set at 80% with 16/8 hour light/dark controlled conditions. All plants received  Hyponex 

(Appendix B) as nutrient solution. Each homozygote plant was harvested separately and the seeds were stored 

at room temperature. Eight homozygous mutants were selected (Table 1). Each of these eight mutant lines was 

tested  for  their  ability  to  re‐establish DT  upon  polyethylene  glycol  (PEG)  treatment. Other mutant  lines  of 

different genes also  induced by osmotic stress were selected as being homozygous  (Appendix C), but due  to 

lack of plant material for these lines, they have not been used for experiments during this thesis.  

   

9  

Table 1: Mutant lines used in this thesis  *Gene expression after 6‐24 hours of  imbibition  in water. +:  increase,  ‐: decrease, O: No  increase or decrease  in gene expression. ND: No Data.  **Expression of abiotic stress, osmotic( 300mM Mannitol), salt (150mM NaCl) and drought stress (plants were exposed for 15 min with loss of app.10% fresh weight) in both root and shoot. O: No difference compared to the wild type (WT). ‐/O: 25‐50% negative difference compared to the WT. O/+:25‐50% positive difference compared to the WT. +: 50‐500% positive difference compared to the WT. ++: 500‐1000%: positive difference compared to the WT. +++:1000+ % positive difference  compared  to  the WT.  If  expression  is below  a  factor  100  a O  (no  change) will be noted.  The  ‐,  ‐‐  and  ‐‐‐ correspond to the same percentage as +, ++ and +++, but as a decrease in expression.  Data obtained from: http://bar.utoronto.ca/efp/cgi‐bin/efpWeb.cgi 

Abbreviation  ID code  Function  Expression  during germination* 

Expression of abiotic stress in the root** 

Expression of abiotic stress in the shoot** 

Osmotic  Salt  Drought  Osmotic  Salt  Drought 

ATCC  At1g12520 Copper Chaperone for SOD1 

O  ‐/O  ‐/O  ‐/ O  ‐  ‐  ‐/O 

At1g61430  At1g61430

Protein phosphorylation (S‐Locus lectin protein kinase family protein) 

O  ‐/O  ‐  ‐  O  O  O 

DAA1  At1g64110 Gene coding for an ATPase 

‐  +++  O  O  +++  +++  O 

ASN1  At3g47340 

Glutamine‐dependent asparagine synthetase1 

‐  +++  +++  O  ‐  ‐‐‐  O 

DI19  At1g56280 Drought induced gene family 

‐  ‐/O  O  O  +  O/+  + 

At1g07728  At1g07728 Putativeexocytosis

ND ND ND ND ND ND ND

ATVIP1  At3g01310  Phosphate metabolism 

‐  O  O  O  O  O  O 

JMJD5  At3g20810 Reverse histone methylation 

‐  O  O  O  O  O  O 

 

Re‐establishmentofDTbytreatingwithPEGA duplicate experiment of four replicas of 30 seeds each in the stages RP and RH for the mutants with T‐DNA 

insertion; atcc, at1g614304, daa1, asn1, di19, at1g07728, atvip1, jmjd5 and a wild type (Col‐0) were incubated 

for 3d in a 1ml polyethylene glycol (PEG 8000) solution with an osmotic potential of ‐2.5 MPa on one layer of 

filter paper in a 6‐cm petri dish as described  (Maia, Dekkers et al. 2011). After incubation, seeds were washed 

with distilled water to remove the remaining PEG and dried for 3d above a saturated CaCl2 solution on a new 

white filter paper inside a desiccator (42% RH at 20OC) (Maia, Dekkers et al. 2014). After drying, seeds were first 

pre‐humidified (relative humidity of 100%) for 24H at 220C under constant white light and further rehydrated 

on  a  Copenhagen  table.  Viability  of  the  seeds  was  checked  after  7  days.  Seeds  that  continued  their 

developmental program and turned into a seedling were considered as being DT tolerant.  

MetabolomicsMetabolites were measured  of  seeds  at  RH  stage,  treated  in  PEG  for  3d.  Four  biological  replicates  for  the 

mutant lines atcc, daa1, di19 atvip1 and wild type in the RH stage were used with 200 seeds for each biological 

replicate and treatment. Each  line was treated with and without 1ml ‐2.5MPa polyethylene glycol (PEG 8000) 

solution. Metabolites were extracted from the seeds according to the Extraction protocol (polar + apolar phase) 

for GC‐TOF‐MS analysis  (Appendix D). Samples were put  in  the GC‐TOF‐MS and obtained data was analyzed 

using MetaboAnalyst, a web‐based platform for comprehensive analysis of quantitative metabolomics data (Xia 

and Wishart 2011). 

10  

Dehydrationcurve;naturalre‐establishmentofDTTo access a more natural way to re‐establish DT in germinated seeds, four developmental stages were used to 

induce  DT  without  PEG.  Four  developmental  stages  are:  testa  rupture  (TR),  radical  protrusion  (RP),  first 

appearance of root hair (RH) and green cotyledons (GC). These stages occur after approximately 24, 28, 32 and 

36 hours  respectively,  germinating  in  a 220C  light  chamber  after  stratification of  at  least 72h  in  a 4oC dark 

chamber. A  dehydration  curve was measured,  for  each developmental  stage, during  72  hours  in nine  time 

points (0, 2, 4, 6, 8, 10, 24, 48 and 72 hours). Four replicas of Col‐0 with 36 seeds for each developmental stage 

and time point were selected and dried in a dark 22oC cabinet with a RH of 32% on a black membrane in a seed 

tray containing one blue filters and 25ml of demi‐water to represent a natural drying. The fresh weight (FW) of 

the seeds after drying for the different durations was measured. The seeds were thereafter placed in a 105oC 

oven to fully dry overnight. The seed dry weight (DW) was measured and the WC (water content) (g g‐1 dw) was 

calculated and put in a graph.  

Naturalre‐establishmentofDTA duplicate experiment of  four  replicas of 30 seeds each  in  the stages RP and RH  for  the mutant  lines atcc, 

at1g614304, daa1, asn1, di19, at1g07728, atvip1, jmjd5 and wild type (Col‐0) were selected, put on one black 

membrane and incubated in a seed tray with one blue filter and 25 ml of water. After drying, seeds were first 

pre‐humidified  (100% RH)  for 24H at 220C  (Maia, Dekkers et al. 2014)    in  the  light and subsequently  further  

rehydrated on a Copenhagen table. Viability of the seeds was checked after 7 days. 

11  

Results

GenotypingPlants were genotyped individually. Mutant lines At2G01100, At5G58720, At3G52180, NAKR3 and NTMC2T6.2   

showed a homozygous genotype (mutant lines correspond to the numbers 6, 10, 22, 23 and 34 in appendix E). 

Other  mutant  lines  showed  heterozygous  or  wild  type  alleles.  A  few  siliques  of  each  mutant  line  were 

harvested and seeds were checked under a microscope in search for missing seeds that indicates a lethal allele, 

this  was  not  found.  Furthermore, mutant  line  9,  even  after multiple  attempts,  did  not  germinate  in  the 

greenhouse.   

Re‐establishmentofDTbytreatingwithandwithoutPEGAs  described  in Maia, Dekkers  et  al.  (2011), DT  can be  re‐established by  treating  the  seeds  using  a  PEG  (‐

2.5MPa) solution. This experiment was a follow‐up of an experiment performed by the BSc student Josephine 

van  Eggelen. Only mutant  line  atvip1  showed  a  significant  decrease  in  re‐establishing DT  for  the  RP  stage 

(Appendix F). Whereas when the same mutants were treated with PEG (‐2.5 MPa ) solution to re‐establish DT in 

germinated seeds, each mutant was able to re‐establish DT at RP.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

It was observed that the mutants atcc, daa1 and di19 show a greater DT compared with Col‐0, whereas mutant 

line atvip1 just as mutant At1g07728 showed no differential re‐establishment of DT. The same experiment with 

the same conditions was performed again and mutant line atvip1 did show a significant lower re‐establishment 

of DT.  Mutant lines atcc, daa1, di19 and atvip1 were selected for metabolomics analysis.  

 

Figure 4: Survival of  ‐2.5 MPa PEG  treated mutant  lines after a 72H dehydration,duplicate experiment of 4 replicates per line, 36 seeds per replicate.   

12  

MetabolomicsMutant  lines atcc, daa1, di19 and atvip1 were  investigated further by performing a metabolomics analysis. A 

total of 50 different metabolites were measured. Figure 5  shows  the  strongest  increase and decrease upon 

treatment  in  seeds  treated with PEG. Xylose  and 4‐hydroproline  show both a  significant decrease, whereas 

raffinose  shows an  increase.  In  table 2 a  summary of each metabolite and  the general  response of  the PEG 

treated mutant lines compared to the untreated mutant lines is shown.   

 

Figure 5. Metabolites of the Mutant lines without PEG treatment (coloured columns) and with PEG (‐2.5 MPa) treatment  (striped columns), which show the highest change between with and without treatment. 

As shown  in  table 2, which summarized a comparison of mutant seeds  treated with PEG  (‐2.5 MPa) solution 

compared  to  their  own  non‐treated  seeds.  The  abundance  of  16  metabolites  for  the  mutant  seeds  are 

increased, (asparagine, aspartic acid, benzoic acid, beta‐D‐methylfrutofuranoside, isoleucine, lysine, phophoric 

acid, proline, pyroglutamic acid, raffinose, serine, s‐methyl‐Lcysteine, sucrose, threitol, threonine and valine). 5 

metabolites have no significant change  (citric acid, methionine, phenylalanine,  tryptophan, and  tyrosine). 10 

metabolites,  are  decreased  (4‐hydroxyproline,  alfa‐ketoglutaric  acid,  ethanolamine,  fructose,  galactinol, 

glyceric acid, malic acid, myo  inositol succinic acid and xylose). 9 metabolites showed no significant  increase, 

but  for  some mutants  these metabolites were upregulated  (alanine, ascorbic acid GABA, glutamine, glycine, 

glycolic acid, leucine, monomethylphosphate and nonanoic acid). The last 10 metabolites showed no significant 

increase in the WT, but for some mutants these metabolites were down regulated. (urea, beta alanine, gumaric 

acid,  glucopyranose,  glucose,  glucose‐6‐phosphate,  glutamic  acid,  N‐acetylglutamic  acid,  putrescine,  and 

pyruvic acid) Some lines showed a significant difference for some metabolites in a treatment compared to the 

wild  type  (Col‐0)  for  the  same  treatment  (see  Appendix  G).  Mutant  line  atcc  showed  an  increase  of 

monomethylphosphate  for  the  untreated  seeds. Mutant  line  daa1  showed  a  decrease  in  both  urea  and 

putrescine for the treated seeds and for the untreated seeds an increase in glucose . Mutant line di19 showed 

for  treated  seeds  an  increase  in  threitol  and  a  decrease  in myo  inositol.  The  untreated  seeds  for  this  line 

showed only an  increase  in glucose. Most significant changes were found for mutant  line atvip1. The treated 

seeds show an  increase  in sucrose and an decrease  for GABA, putrescine and myo  inositol. Untreated seeds 

showed an  increase  in abundance  in phosphoric acid and glutamine. A decrease  in abundance, for untreated 

seeds, was  found  for  in putrescine, beta‐D‐methylfructofuranoside, beta‐alanine, 4‐hydroxyproline and myso 

inositol. 

Metabolites, that are important or are involved in establishing DT are shown in figure 6 (CHIANG and Dandekar 

1995, Nambara, Kawaide et al. 1998, Joshi, Joung et al. 2010). The metabolites valine, isoleucine, proline, lysine, 

asparagine and threonine are all increased for all mutant lines upon treatment with PEG (‐2.5 MPa) solution. All 

mutant  lines have  increased  levels  for  leucine, except atvip1 which does not  show an  increase or decrease. 

Tryptophan  is  increased  for mutant  line  atvip1  and not  increased or decreased  for  the other mutant  lines.  

Alanine  shows  for  both  daa1  and  atvip1 no  increase  or  decrease, but  for  sod1  and  di19  levels  are  higher. 

Glutamine  is  not  increased  in mutant  line  sod1, while  the  other mutant  lines  show  a  higher  level.  Finaly, 

glutamic acid shows a decrease for sod1 and atvip1 but this is not found for the other mutant lines.   

13  

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6: Measured metabolites that are important or involved in establishing DT or are found to be increased upon drought or salinity stress. Mutant lines without PEG treatment (coloured columns) and with PEG (‐2.5 MPa) treatment  (striped columns). 

14  

Table 2: An schematic overview of 50 measured metabolites which show the trend that the mutant lines atcc, daa1, di19 and atvip1 follow when they are treated with PEG. A + indicates that all 4 lines show a significant increase  for  that particular metabolite when  they are  treated with a  ‐2.5 MPa PEG  solution  compared  to their own non treated mutant wild type. A –  indicates a decrease and a O  indicates no significant  increase was  found. The combination of  ‐/O and O/+  indicates  that both an  increase or decrease  together with no significant change was found for that particular metabolite.  

Metabolite    Metabolite    Metabolite Metabolite   Metabolite

Asparagine  +  Serine +  Glycine 3tms O/+  Urea ‐/O  4‐Hydroxyproline 

Aspartic Acid  +  S‐Methyl‐L‐cysteine 

+  Glycolic acid O/+  Beta alanine  ‐/O  Alfa‐Ketoglutaric Acid 

Benzoic Acid  +  Sucrose  +  Leucine 2tms O/+  Fumaric acid  ‐/O  Ethanolamine 

Beta‐D‐Methylfructofuranoside 

+  Threitol  +  Monomethylphosphate 2tms 

O/+  Glucopyranose 

‐/O  Fructose ‐

Isoleucine  +  Threonine 3tms 

+  Nonanoic acid O/+  Glucose ‐/O  Galactinol ‐

Lysine  +  Valine +  Citric acid O  Glucose‐6‐phosphate 

‐/O  Glyceric Acid ‐

Phosphoric Acid 

+  Alanine  O/+  Methionine O  Glutamic acid 

‐/O  Malic Acid ‐

Proline  +  Ascorbic Acid 

O/+  Phenylalanine O  N‐acetylglutamic acid 

‐/O  Myo Inositol ‐

Pyroglutamic acid 

+  GABA O/+  Tryptophan O  Putrescine ‐/O  Succinic Acid ‐

Raffinose  +  Glutamine  O/+  Tyrosine 3tms O  Pyruvic Acid  ‐/O  Xylose ‐ 

   

15  

Naturalre‐establishmentofDTTo perform a more natural way of re‐establishment of DT, a dehydration curve has been made for each  stage: 

TR, RP, RH and GC. Dehydration curves are shown in figure 7 .  

 

Figure 7: Dehydration curve of the different stages TR, RP, RH and GC altogether and each of them separately. Inside  the  combined  dehydration  curve,  another  curve  is  shown  that  represents  the  survival  rate  of  the different developmental  stages when dried  in natural  conditions. TR and RP  stage  survival  ration  is 100% upon  re‐hydration whereas  for  the RH a 20% and GC stage a 0% survival  rate  is observed. All stages have reached the same water content after 72H of drying.  

The dehydration curves show a similar decrease of moisture during a drying period of 72H  in a  220C 32% RH 

environment  for all developmental stages. Within 6h all stages, except TR, have  lost more  than 90% of  their 

moisture. After 10h the slope of all the stages has stabilized. The stages reached the same water content after 

72H of drying and only TR and RP have a 100% survival rate upon re‐hydration. The stages  lost 90 to 96 % of 

their total weight after 72H of drying.  

 

16  

Discussion

GenotypingMost  of  the  mutant  lines  showed  heterozygosity.  Even  after  multiple  attempts  and  several  batches,  no 

homozygous genotype was found for these lines but only heterozygous or wild type genotypes. It is a strange 

occurrence that out of 25 plants and for the second batch which was grown out of heterozygous seeds, not a 

single homozygous plant was found when mendel’s law of segregation suggest that 25% of the 25 plants should 

be homozygous. This raised the question if, for at least one line, a lethal allele could exist. This was not the case 

when the siliques were checked; all seeds were present for all lines.  

For mutant  line  9,  the  knocked‐out  gene  encodes  a RING‐finger  type  E3  ligase.  This  ligase  is  necessary  for 

mitotic cell cycle progression during gametogenesis  in A.  thaliana  (Liu, Zhang et al. 2008). This could explain 

why none of the seeds germinated in the greenhouse.  

Re‐establishmentofDTbytreatingwithPEGLines that showed an increased or decreased survival rate with PEG at RH, were chosen to continue research by 

performing a MS‐TOF‐GC analysis. Mutant  line atcc, daa1, di19 and atvip1 were chosen  to  investigate more 

thoroughly. Mutant lines asn1 and Atg07728 were not chosen, since they did not show a significant difference 

when compared to col‐0. Mutant  line atvip1 was chosen, due to a significant score  in the second experiment 

and due to the fact that  it showed a  lower establishment of DT.  It was preferred to use the phenotypes that 

showed  greater  or  lower  re‐establishment  of DT,  so  a  possibility  to  check  if  a  specific metabolic  profile  is 

present that could explain the re‐establishment of DT in the seeds. 

MetabolomicsTo  check which metabolites would  have  a  role  in  re‐establishment  of DT  in  A.  thaliana  germinated  seeds, 

mutants with greater re‐establishment at RH (atcc, daa1 and di19) and lower (atvip1) were used for metabolite 

analysis. Change  in valine,  leucine and  isoleucine are observed upon  treatment with PEG  (fig 6). These  free 

amino acids are responsible to act as a defensive mechanism against abiotic stresses, in this case drought stress 

(Nambara, Kawaide et al. 1998, Joshi, Joung et al. 2010). This is seen in the results except for mutant line atvip1, 

which  does  not  show  an  increase  in  leucine.  In  plant  material  these  three  amino  acids,  together  with  

phenylalanine, proline, tryptophan and lycine (fig 6), are increased several fold during dehydration (Nambara, 

Kawaide  et  al.  1998).  This  trend  is  also  seen  for  threonine,  asparagine,  glutamate,  glutamine,  proline  and  

alanine at increasing NaCl concentrations with 2 week old plant material (fig 6) (CHIANG and Dandekar 1995). 

Proline,  lycene, asparagine and threonine are  increased for all treated seeds.  In A. thaliana seeds proline can 

enclose 17% of the total free amino acids. The same accounts for asparagine, which encloses 22%. However in 

tissues with a higher water content, a  lower  level of proline and asparagine  is  found  (CHIANG and Dandekar 

1995).  In general proline acts as a protectant   and can scavenge ROS.  In many species  it can be activated by 

ABA (KISHOR, POLAVARAPU et al. 2014). Alanine, tryptophan, phenylalanine and glutamate (fig 6), however, do 

not show an increase in most of the mutants and for some mutant lines even a decrease is observed compared 

to col‐0. For instance, tryptophan and phenylalanine could both be involved in providing protein stability (Costa, 

Righetti  et  al.  2015).  Tryptophan  is  increased  for mutant  line  atvip1 which  shows  a  negative  effect  on  re‐

establishment of DT, whereas phenylalanine shows a decrease for mutant line daa1 which shows a greater re‐

establishment of DT at RH. So a change  in one metabolite does not have  to correlate with  the phenotypical 

behaviour of that specific  line. Studies correlate  in most cases with the obtained metabolic results. However 

most metabolite results  in other studies are obtained from 2 week old plant material and not from the seed 

itself. It is possible that therefore results obtained in this thesis do not correlate with results from other studies.  

Three metabolites, raffinose, xylose and 4‐hydroxyproline showed the most pronounced change in  abundance. 

Raffinose  together with  galactinol  and  stachyose  is  accumulated  in  the  seeds  of A.  thaliana.  Raffinose  and 

galactinol are detected  in stressed plants, whereas stachyose  is not (Taji, Ohsumi et al. 2002). Two of seven 

17  

genes for galactinol synthase AtGolS1 and AtGolS2 are induced during drought or salt stresses (Taji, Ohsumi et 

al.  2002).  Overexpression  of  AtGOLS2  showed  an  increase  in  the  accumulation  of  galactinol  and  raffinose 

together with  an  increase  of  drought‐stress  tolerance  (Taji, Ohsumi  et  al.  2002).  It  is  suggested  that  both 

galactinol and raffinose are acting as a protectant just as proline (Taji, Ohsumi et al. 2002, Stoyanova, Geuns et 

al. 2011). Xylose is important for a plant, because plant N‐linked glycan’s which contain β1.2‐xylose and α1,3‐

fucose have the function to affect the co and post‐translational folding of proteins (Rayon, Lerouge et al. 1998). 

The N‐glycan proteins, present in the Golgi apparatus, are essential for root salt tolerance and both β1.2‐xylose 

and α1,3‐fucose might have an overlapping function in salt tolerance (Kang, Frank et al. 2008) and if one of the 

two  is  disturbed,  salt  sensitivity  is  increased  (Kaulfürst‐Soboll,  Rips  et  al.  2011).  In  this  study,  interestingly, 

xylose drops upon treatment with PEG, but a higher re‐establishment of DT is observed for  mutant lines atcc, 

daa1 and di19. A  lower amount of xylose  is observed  for mutant  line atvip1  in non‐treated seeds. An amino 

acid (4‐Hydroxyproline) is used by the cell to produce hydroxyproline‐rich glycoproteins , which is necessary for 

a normal embryo development in A. thaliana (Hall and Cannon 2002). Without this protein, the developing cells 

of  for  instance  the  root  will  show  abnormal  shapes,  cell  differentiation  occurs  to  some  degree  but  cell 

expansion does not occur and cell growth  is  in random directions (Tierney and Varner 1987, Hall and Cannon 

2002).  It  is  a  logical  result  that  this metabolite  is  decreased  in  abundance  since  no  cell  differentiation  is 

necessary during periods of drought stress in  A. thaliana seeds.  

It is noteworthy to mention mutant line atvip1, which shows a phenotype with a lower re‐establishment of DT. 

This  line has  the most differences  in metabolites between  treatments compared  to  the  three other mutants 

(atcc, daa1 and di19). There are 12 differences, of which eight for untreated and four for treated seeds. Two 

metabolites,  putrescine  and myo‐inositol,  show  for  untreated  and  treated  seeds  a  decrease  in  abundance. 

There  are  indications  that  putrescine  can  influence  the  transpiration  rate  and  stomatal  conductance  as 

response for dehydration. This was shown in transgenic A. thaliana plants where Arginine decarboxylase 2 gene 

was overexpressed and an overproduction of putrescine was observed    (Alcázar, Planas et al. 2010). Results 

showed that putrescine plays a role  in re‐establishment of DT  in germinated seeds. Myo‐inositol  is an amino 

acid which is used as a substrate for rafinose, which is a oligosacharide that can protect a plant against drought 

stress (Taji, Seki et al. 2004). That a decrease of both metabolites would cause a drastic lower re‐establishment 

of DT  for mutant  line atvip1  is unlikely.  Sucrose  is  increased  for mutant  line atvip1 when  treated with PEG 

which has also been shown for the sucrose content of both cucumber and  Impatiens when treated with PEG 

(Bruggink and van der Toorn 1995). This is probably due to breakdown of food reserves, which might also have 

a  function  in  stabilizing  cell membranes and proteins  in  the absence of water  (Bruggink and  van der Toorn 

1995).  

It is important to mention that not only the T‐DNA insertion in the genome of these lines are the cause of the 

metabolic profiles that were found. Point mutations, insertions, deletions or other T‐DNA fragments could have 

altered the genome and therefore altered the accumulation of amino acids and sugars during DT.  

Naturalre‐establishmentofDT

A dehydration  curves  show a  similar decrease of moisture during a drying period of 72H  in a 220C 32% RH 

environment  for  all  developmental  stages. Within  6h  all  stages,  except  TR,  have  lost  more  than  90%  of 

moisture content. This  is caused by a  lower  influence of  the seed coat which encloses  the embryo  in  the TR 

stage almost  completely and  therefore  inhibits  the evaporation of water present  in  the embryo at a higher 

degree  (Debeaujon, Léon‐Kloosterziel et al. 2000).   For the GC 0h the highest FW has been found, which  is a 

logical  result of a germinating seed  that grown  longer  in  favourable conditions. After drying  the samples  for 

72H the DW of the seeds is <0.1 mg. This curve can be used as a standard to search for mutant lines that show 

a different trend in losing moisture. 

 

 

18  

PossiblefutureprojectsThere are multiple possible future projects that could help to continue the study on desiccation tolerance. First 

of all, an ABA measurement could be performed. Seeds are already treated and stored a the ‐800C freezer.  It is 

expected that upon drying an increase of ABA is shown and upon rehydration of 24 hours after 72 hours drying 

an decrease of ABA  is expected to be seen. This curve can be used as a standard  for the behaviour of seeds 

upon germination. Similar ABA measurements can be made to study ABA in the mutant lines. If an alteration of 

ABA behaviour is observed, further investigation could be advised. 

Second,  a  sugar measurement  in  germinated  A.  thaliana  seeds  is  another  experiment  that  is  going  to  be 

performed. The seeds were prepared and are stored in a ‐800C freezer until they can be put into the machine. It 

is  interesting  to see  if  treatment with PEG alters  the amount of specific sugars. That alteration happens has 

already been shown for raffinose, fructose and sucrose in the metabolomics analysis for different treatments. 

However,  there  are more  sugars,  for  instance  trehalose,  that  are  involved  in desiccation  tolerance  and  can 

therefore be  investigated. Trehalose  is necessary for the survival of desiccation over a  long period of time  in 

Saccharomyces cerevisiae (Tapia and Koshland 2014). Overexpression of yeast trehalose‐6‐phosphate in tobaco 

plants increases its tolerance to drought (Romero, Bellés et al. 1997). In A. thaliana, 11 trehalose‐6‐phosphate 

synthase  genes  were  found  which  synthesize  UDP  glucose  and  glucose‐6‐phosphate  to  trehalose‐6‐

phosphosphate  and Tre6P phosphatase  (TPP)  can dephosphorylate  it  to  trehalose  (Leyman, Van Dijck et al. 

2001).    Sugars  are,  as  introduced,  important  in establishing DT.  It would be  interesting  to  see  the  ratios of 

sugars that are present in the mutant lines and it would be interesting if differences in sugar ratios between the 

mutant lines can be found. 

Third, as  introduced, LEA proteins and HSPs are also  important  in helping a seed to establish DT.  It would be 

interesting to check which LEA and HSP proteins are transcribed for the developmental stages RP and RH and 

how ABA is correlated to the transcription of these proteins.   

Finally as mentioned in the discussion, the RH stage of the ‘natural’ drying experiment performed by Josephine 

van Eggelen should be repeated (appendix H). Results show a low survival rate, below 10% in average, for the 

developmental stage RH, whereas  figure 7 shows  that survival of at  least 20%  is expected  for  the wild  type. 

Furthermore, line atvip1 shows an positive establishment of DT, whereas for RP (appendix G) and for RH when 

treated with PEG a negative establishment of DT is shown. There is a possibility that the seeds were not picked 

at  the  right moment of  germination.  If  the  seeds  show even  the  tiniest bit of  green,  there  is no  chance of 

survival of that seed. The time frame of picking the seeds is roughly 3 to 4 hours. Which can be difficult if a high 

number of seeds have to be picked.  

AcknowledgementsFirst of all, I would like to thank my direct supervisor Anderson Silva, who guided me through my thesis, helped 

me in the laboratory and reviewed this report. Second I would like to thank my other supervisor Wilco Ligterink 

who  gave  me  the  opportunity  to  work  in  the  Laboratory  of  Plant  Physiology.  I  would  like  to  thank  the 

technicians Leo Willems for helping me with the GC‐TOF‐MS and Juriaan Rienstra for answering my questions 

in the laboratory. Finally, I would like to thank Josephine van Eggelen and Adane Demissie for their help in the 

laboratory and greenhouse.   

19  

ReferencesAlamillo,J.,C.Almoguera,D.BartelsandJ.Jordano(1995)."ConstitutiveexpressionofsmallheatshockproteinsinvegetativetissuesoftheresurrectionplantCraterostigmaplantagineum."Plantmolecularbiology29(5):1093‐1099.Alcázar,R.,J.Planas,T.Saxena,X.Zarza,C.Bortolotti,J.Cuevas,M.Bitrián,A.F.TiburcioandT.Altabella(2010)."PutrescineaccumulationconfersdroughttoleranceintransgenicArabidopsisplantsover‐expressingthehomologousArgininedecarboxylase2gene."PlantPhysiologyandBiochemistry48(7):547‐552.Ali,M.A.,S.Plattner,Z.Radakovic,K.Wieczorek,A.Elashry,F.M.Grundler,M.Ammelburg,S.SiddiqueandH.Bohlmann(2013)."AnArabidopsisATPasegeneinvolvedinnematode‐inducedsyncytiumdevelopmentandabioticstressresponses."ThePlantJournal74(5):852‐866.Allen,R.D.(1995)."Dissectionofoxidativestresstoleranceusingtransgenicplants."PlantPhysiology107(4):1049.Asada,K.(1992)."Ascorbateperoxidase–ahydrogenperoxide‐scavengingenzymeinplants."PhysiologiaPlantarum85(2):235‐241.Battista,J.R.,M.‐J.ParkandA.E.McLemore(2001)."InactivationoftwohomologuesofproteinspresumedtobeinvolvedinthedesiccationtoleranceofplantssensitizesDeinococcusradioduransR1todesiccation."Cryobiology43(2):133‐139.Blackman,S.A.,R.L.ObendorfandA.C.Leopold(1992)."Maturationproteinsandsugarsindesiccationtoleranceofdevelopingsoybeanseeds."PlantPhysiology100(1):225‐230.Borg,M.,L.Brownfield,H.Khatab,A.Sidorova,M.LingayaandD.Twell(2011)."TheR2R3MYBtranscriptionfactorDUO1activatesamalegermline‐specificregulonessentialforspermcelldifferentiationinArabidopsis."ThePlantCellOnline23(2):534‐549.Bowler,C.,W.VanCamp,M.VanMontagu,D.InzéandK.Asada(1994)."Superoxidedismutaseinplants."CriticalReviewsinPlantSciences13(3):199‐218.Browne,J.,A.TunnacliffeandA.Burnell(2002)."Anhydrobiosis:plantdesiccationgenefoundinanematode."Nature416(6876):38‐38.Bruggink,T.andP.vanderToorn(1995)."Inductionofdesiccationtoleranceingerminatedseeds."SeedScienceResearch5(01):1‐4.CHIANG,H.H.andA.Dandekar(1995)."RegulationofprolineaccumulationinArabidopsisthaliana(L.)Heynhduringdevelopmentandinresponsetodesiccation."Plant,Cell&Environment18(11):1280‐1290.Chu,C.‐C.,W.‐C.Lee,W.‐Y.Guo,S.‐M.Pan,L.‐J.Chen,H.‐m.LiandT.‐L.Jinn(2005)."Acopperchaperoneforsuperoxidedismutasethatconfersthreetypesofcopper/zincsuperoxidedismutaseactivityinArabidopsis."PlantPhysiology139(1):425‐436.Coca,M.A.,C.AlmogueraandJ.Jordano(1994)."Expressionofsunflowerlow‐molecular‐weightheat‐shockproteinsduringembryogenesisandpersistenceaftergermination:localizationandpossiblefunctionalimplications."Plantmolecularbiology25(3):479‐492.Coca,M.A.,C.Almoguera,T.L.ThomasandJ.Jordano(1996)."Differentialregulationofsmallheat‐shockgenesinplants:analysisofawater‐stress‐inducibleanddevelopmentallyactivatedsunflowerpromoter."Plantmolecularbiology31(4):863‐876.Cohen,H.,H.Israeli,I.MatityahuandR.Amir(2014)."Seed‐SpecificExpressionofaFeedback‐InsensitiveFormofCYSTATHIONINE‐γ‐SYNTHASEinArabidopsisStimulatesMetabolicandTranscriptomicResponsesAssociatedwithDesiccationStress."Plantphysiology166(3):1575‐1592.Costa,M.C.D.,K.Righetti,H.Nijveen,F.Yazdanpanah,W.Ligterink,J.BuitinkandH.W.Hilhorst(2015)."Ageneco‐expressionnetworkpredictsfunctionalgenescontrollingthere‐establishmentofdesiccationtoleranceingerminatedArabidopsisthalianaseeds."Planta:1‐15.Debeaujon,I.,K.M.Léon‐KloosterzielandM.Koornneef(2000)."Influenceofthetestaonseeddormancy,germination,andlongevityinArabidopsis."PlantPhysiology122(2):403‐414.

20  

Delauney,A.J.andD.P.S.Verma(1993)."Prolinebiosynthesisandosmoregulationinplants."Theplantjournal4(2):215‐223.Gao,X.,Z.Ren,Y.ZhaoandH.Zhang(2003)."OverexpressionofSOD2increasessalttoleranceofArabidopsis."PlantPhysiology133(4):1873‐1881.Goyal,K.,L.WaltonandA.Tunnacliffe(2005)."LEAproteinspreventproteinaggregationduetowaterstress."Biochem.J388:151‐157.Hall,Q.andM.C.Cannon(2002)."Thecellwallhydroxyproline‐richglycoproteinRSHisessentialfornormalembryodevelopmentinArabidopsis."ThePlantCellOnline14(5):1161‐1172.Hendrick,J.P.andF.Hartl(1993)."Molecularchaperonefunctionsofheat‐shockproteins."Annualreviewofbiochemistry62(1):349‐384.Hoekstra,F.A.,E.A.GolovinaandJ.Buitink(2001)."Mechanismsofplantdesiccationtolerance."Trendsinplantscience6(9):431‐438.Hundertmark,M.andD.K.Hincha(2008)."LEA(lateembryogenesisabundant)proteinsandtheirencodinggenesinArabidopsisthaliana."BMCgenomics9(1):118.Imlay,J.andS.Linn(1988)."DNAdamageandoxygenradicaltoxicity."Science(NewYork,NY)240(4857):1302‐1309.Jones,M.A.,M.F.Covington,L.DiTacchio,C.Vollmers,S.PandaandS.L.Harmer(2010)."JumonjidomainproteinJMJD5functionsinboththeplantandhumancircadiansystems."ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences107(50):21623‐21628.Joshi,V.,J.‐G.Joung,Z.FeiandG.Jander(2010)."Interdependenceofthreonine,methionineandisoleucinemetabolisminplants:accumulationandtranscriptionalregulationunderabioticstress."Aminoacids39(4):933‐947.Jung,C.,J.S.Seo,S.W.Han,Y.J.Koo,C.H.Kim,S.I.Song,B.H.Nahm,Y.DoChoiandJ.‐J.Cheong(2008)."OverexpressionofAtMYB44enhancesstomatalclosuretoconferabioticstresstoleranceintransgenicArabidopsis."PlantPhysiology146(2):623‐635.Kang,J.S.,J.Frank,C.H.Kang,H.Kajiura,M.Vikram,A.Ueda,S.Kim,J.D.Bahk,B.TriplettandK.Fujiyama(2008)."SalttoleranceofArabidopsisthalianarequiresmaturationofN‐glycosylatedproteinsintheGolgiapparatus."ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences105(15):5933‐5938.Kaulfürst‐Soboll,H.,S.Rips,H.Koiwa,H.Kajiura,K.FujiyamaandA.vonSchaewen(2011)."ReducedimmunogenicityofArabidopsishgl1mutantN‐glycanscausedbyalteredaccessibilityofxyloseandcorefucoseepitopes."JournalofBiologicalChemistry286(26):22955‐22964.KISHOR,K.,B.POLAVARAPUandN.SREENIVASULU(2014)."Isprolineaccumulationpersecorrelatedwithstresstoleranceorisprolinehomeostasisamorecriticalissue?"Plant,cell&environment37(2):300‐311.Koornneef,M.,C.J.Hanhart,H.W.HilhorstandC.M.Karssen(1989)."InvivoinhibitionofseeddevelopmentandreserveproteinaccumulationinrecombinantsofabscisicacidbiosynthesisandresponsivenessmutantsinArabidopsisthaliana."PlantPhysiology90(2):463‐469.Koster,K.L.(1991)."Glassformationanddesiccationtoleranceinseeds."PlantPhysiology96(1):302‐304.Koster,K.L.andA.C.Leopold(1988)."Sugarsanddesiccationtoleranceinseeds."PlantPhysiology88(3):829‐832.Lam,H.‐M.,S.S.PengandG.M.Coruzzi(1994)."Metabolicregulationofthegeneencodingglutamine‐dependentasparaginesynthetaseinArabidopsisthaliana."PlantPhysiology106(4):1347‐1357.Lam,H.M.,M.H.HsiehandG.Coruzzi(1998)."ReciprocalregulationofdistinctasparaginesynthetasegenesbylightandmetabolitesinArabidopsisthaliana."ThePlantJournal16(3):345‐353.Lehle,F.R.,F.ChenandK.R.Wendt(1992)."EnhancementofNaCltoleranceinArabidopsisthalianabyexogenousL‐asparagineandD‐asparagine."PhysiologiaPlantarum84(2):223‐228.Leyman,B.,P.VanDijckandJ.M.Thevelein(2001)."AnunexpectedplethoraoftrehalosebiosynthesisgenesinArabidopsisthaliana."Trendsinplantscience6(11):510‐513.

21  

Liu,J.,Y.Zhang,G.Qin,T.Tsuge,N.Sakaguchi,G.Luo,K.Sun,D.Shi,S.AkiandN.Zheng(2008)."Targeteddegradationofthecyclin‐dependentkinaseinhibitorICK4/KRP6byRING‐typeE3ligasesisessentialformitoticcellcycleprogressionduringArabidopsisgametogenesis."ThePlantCellOnline20(6):1538‐1554.Liu,W.‐X.,F.‐C.Zhang,W.‐Z.Zhang,L.‐F.Song,W.‐H.WuandY.‐F.Chen(2013)."ArabidopsisDi19functionsasatranscriptionfactorandmodulatesPR1,PR2,andPR5expressioninresponsetodroughtstress."Molecularplant6(5):1487‐1502.Lu,S.X.,S.M.Knowles,C.J.Webb,R.B.Celaya,C.Cha,J.P.SiuandE.M.Tobin(2011)."TheJumonjiCdomain‐containingproteinJMJ30regulatesperiodlengthintheArabidopsiscircadianclock."Plantphysiology155(2):906‐915.Maia,J.,B.J.Dekkers,M.J.Dolle,W.LigterinkandH.W.Hilhorst(2014)."Abscisicacid(ABA)sensitivityregulatesdesiccationtoleranceingerminatedArabidopsisseeds."NewPhytologist203(1):81‐93.Maia,J.,B.J.Dekkers,N.J.Provart,W.LigterinkandH.W.Hilhorst(2011)."There‐establishmentofdesiccationtoleranceingerminatedArabidopsisthalianaseedsanditsassociatedtranscriptome."PloSone6(12):e29123.Meurs,C.,A.S.Basra,C.M.KarssenandL.C.vanLoon(1992)."RoleofabscisicacidintheinductionofdesiccationtoleranceindevelopingseedsofArabidopsisthaliana."Plantphysiology98(4):1484‐1493.Nambara,E.,H.Kawaide,Y.KamiyaandS.Naito(1998)."CharacterizationofanArabidopsisthalianamutantthathasadefectinABAaccumulation:ABA‐dependentandABA‐independentaccumulationoffreeaminoacidsduringdehydration."Plantandcellphysiology39(8):853‐858.Rayon,C.,P.LerougeandL.Faye(1998)."TheproteinN‐glycosylationinplants."JournalofExperimentalBotany49(326):1463‐1472.Romero,C.,J.M.Bellés,J.L.Vayá,R.SerranoandF.A.Culiáñez‐Macià(1997)."Expressionoftheyeasttrehalose‐6‐phosphatesynthasegeneintransgenictobaccoplants:pleiotropicphenotypesincludedroughttolerance."Planta201(3):293‐297.Smirnoff,N.andG.L.Wheeler(2000)."Ascorbicacidinplants:biosynthesisandfunction."CriticalReviewsinBiochemistryandMolecularBiology35(4):291‐314.Smith,I.K.,T.L.VierhellerandC.A.Thorne(1989)."Propertiesandfunctionsofglutathionereductaseinplants."PhysiologiaPlantarum77(3):449‐456.Stacy,R.A.andR.B.Aalen(1998)."IdentificationofsequencehomologybetweentheinternalhydrophilicrepeatedmotifsofGroup1late‐embryogenesis‐abundantproteinsinplantsandhydrophilicrepeatsofthegeneralstressproteinGsiBofBacillussubtilis."Planta206(3):476‐478.Stoyanova,S.,J.Geuns,E.HidegandW.VanDenEnde(2011)."Thefoodadditivesinulinandsteviosidecounteractoxidativestress."Internationaljournaloffoodsciencesandnutrition62(03):207‐214.Stracke,R.,M.WerberandB.Weisshaar(2001)."TheR2R3‐MYBgenefamilyinArabidopsisthaliana."Currentopinioninplantbiology4(5):447‐456.Sun,W.,M.VanMontaguandN.Verbruggen(2002)."Smallheatshockproteinsandstresstoleranceinplants."BiochimicaetBiophysicaActa(BBA)‐GeneStructureandExpression1577(1):1‐9.Sun,W.Q.,T.C.IrvingandA.C.Leopold(1994)."Theroleofsugar,vitrificationandmembranephasetransitioninseeddesiccationtolerance."PhysiologiaPlantarum90(4):621‐628.Sun,Y.andT.H.MacRae(2005)."Smallheatshockproteins:molecularstructureandchaperonefunction."CellularandMolecularLifeSciencesCMLS62(21):2460‐2476.Synek,L.,N.Schlager,M.Eliáš,M.Quentin,M.T.HauserandV.Žárský(2006)."AtEXO70A1,amemberofafamilyofputativeexocystsubunitsspecificallyexpandedinlandplants,isimportantforpolargrowthandplantdevelopment."ThePlantJournal48(1):54‐72.Taji,T.,C.Ohsumi,S.Iuchi,M.Seki,M.Kasuga,M.Kobayashi,K.Yamaguchi‐ShinozakiandK.Shinozaki(2002)."Importantrolesofdrought‐andcold‐induciblegenesforgalactinolsynthaseinstresstoleranceinArabidopsisthaliana."ThePlantJournal29(4):417‐426.

22  

Taji,T.,M.Seki,M.Satou,T.Sakurai,M.Kobayashi,K.Ishiyama,Y.Narusaka,M.Narusaka,J.‐K.ZhuandK.Shinozaki(2004)."ComparativegenomicsinsalttolerancebetweenArabidopsisandArabidopsis‐relatedhalophytesaltcressusingArabidopsismicroarray."Plantphysiology135(3):1697‐1709.Tapia,H.andD.E.Koshland(2014)."Trehaloseisaversatileandlong‐livedchaperonefordesiccationtolerance."CurrentBiology24(23):2758‐2766.Tierney,M.L.andJ.E.Varner(1987)."Theextensins."Plantphysiology84(1):1‐2.Tunnacliffe,A.andM.J.Wise(2007)."ThecontinuingconundrumoftheLEAproteins."Naturwissenschaften94(10):791‐812.Wehmeyer,N.andE.Vierling(2000)."Theexpressionofsmallheatshockproteinsinseedsrespondstodiscretedevelopmentalsignalsandsuggestsageneralprotectiveroleindesiccationtolerance."PlantPhysiology122(4):1099‐1108.Williams,R.J.andA.C.Leopold(1989)."Theglassystateincornembryos."PlantPhysiology89(3):977‐981.Wise,M.J.andA.Tunnacliffe(2004)."POPPthequestion:whatdoLEAproteinsdo?"Trendsinplantscience9(1):13‐17.Wolkers,W.F.,F.A.Tetteroo,M.AlberdaandF.A.Hoekstra(1999)."Changedpropertiesofthecytoplasmicmatrixassociatedwithdesiccationtoleranceofdriedcarrotsomaticembryos.AninsituFouriertransforminfraredspectroscopicstudy."PlantPhysiology120(1):153‐164.Xia,J.andD.S.Wishart(2011)."Web‐basedinferenceofbiologicalpatterns,functionsandpathwaysfrommetabolomicdatausingMetaboAnalyst."Natureprotocols6(6):743‐760.Xu,D.,M.Chen,Y.Ma,Z.Xu,L.Li,Y.ChenandY.Ma(2015)."AG‐ProteinβSubunit,AGB1,NegativelyRegulatestheABAResponseandDroughtTolerancebyDown‐RegulatingAtMPK6‐RelatedPathwayinArabidopsis."PloSone10(1):e0116385.Zelko,I.N.,T.J.MarianiandR.J.Folz(2002)."Superoxidedismutasemultigenefamily:acomparisonoftheCuZn‐SOD(SOD1),Mn‐SOD(SOD2),andEC‐SOD(SOD3)genestructures,evolution,andexpression."FreeRadicalBiologyandMedicine33(3):337‐349.Zhu,S.‐Y.,X.‐C.Yu,X.‐J.Wang,R.Zhao,Y.Li,R.‐C.Fan,Y.Shang,S.‐Y.Du,X.‐F.WangandF.‐Q.Wu(2007)."Twocalcium‐dependentproteinkinases,CPK4andCPK11,regulateabscisicacidsignaltransductioninArabidopsis."ThePlantCellOnline19(10):3019‐3036.

 

23  

Appendix

A. Protocol:DNAextraction1. 1 leaf per tube 

2. Add 200 µL of extraction buffer, one stainless steel bullet and grind (1 min at 30 Hz) 

3. 60 minutes at 60 ºC 

4. Spin 15 minutes at 2.800 g 

5. Take 75 µL of supernatant to new tube (Microtiter plate) 

6. Add 75 µL of iso‐propanol and 30 µL of 10M of NH4Ac 

7. 15 minutes at Room Temperature/ or over‐night 

8. Spin 15 at room temperature at 2.500 g 

9. Wash pellet with 70% of ethanol 

10. Spin 5 minutes at 2.500 g, remove the ethanol 

11. Quick spin on the plate upside‐down 

12. Dissolve the pellet in 50 µL Milli‐Q water   

13. Use up to 4 µL for the PCR 

Extraction buffer 2M of NaCl (116.88 g per Litre) 

200mM of Tris‐HCl pH8 (31.520 g per 1 Litre) 

70mM EDTA (29.134 g per Litre) 

20mM Na2S2O5 (3.802 g per Litre) 

 

24  

B. CompositionofHyponexMain Elements  Concentration (mM/L)   Trace Elements Concentration (μM/L)

NH4  1.7  Fe 21.0

K  4.131  Mn  3.4

Ca  1.97  Zn  4.7

Mg  1.239  B 14.0

NO3  4.141  Cu  6.9

SO4  3.411  MO  0.1

P  1.287 

 

25  

C. Mutantlines 

Table 4:   Mutant lines used in this thesis 

*Gene expression after 6‐24 hours of imbibition in water. +: increase, ‐: decrease, O: No increase or decrease in gene expression. ND: No Data.  **Expression of abiotic stress, osmotic( 300mM Mannitol), salt (150mM NaCl) and drought stress (plants were exposed for 15 min with loss of app.10% fresh weight) in both root and shoot. O: No difference compared to the wild type (WT). O/‐: 25‐50% negative difference compared to the WT. O/+:25‐50% positive difference compared to the WT. +: 50‐500% positive difference compared to the WT. ++: 500‐1000%: positive difference compared to the WT. +++:1000+ % positive difference compared to the WT. If expression is below a factor 100 a O (no change) will be noted. The ‐, ‐‐ and ‐‐‐ correspond to the same percentage as +, ++ and +++, but as a decrease in expression. Data obtained from: http://bar.utoronto.ca/efp/cgi‐bin/efpWeb.cgi 

Number  T‐DNA (agi)  Expression  during germination* 

Expression of abiotic stress in the root** Expression of abiotic stress in the shoot**

Osmotic  Salt  Drought  Osmotic  Salt  Drought 

3  AT1G33970 1‐6h  + 12‐24h                    ‐ 

O/+  O  O  ++  O  O 

6  AT2G01100  ‐  O  O  O  +  +  O 

8  AT5G01520  ‐  +  +  O  +++  ++  O 

9  AT5G22000  ‐  O/+  +  O  +  +  O 

10  AT5G58720  ‐  O/+  O  O  O/+  O  O 

12  AT5G66400 1h                  + 3‐24h                      ‐  

+++  +++  O  +++  +++  + 

13  AT4G01450  +  +  O  O/+  O  +  O/+ 

18  AT1G04300  ‐  O/+  O  O  +  O  O 

20  AT2G04240 1h,6h              + 3,12,24h                 ‐ 

O  O  O  +  +  O 

21  AT3G14880  ‐  O  O  O  O  O  O 

22  AT3G52180  +  O  O  O  +  +  O 

23  AT3G53530  ND  ND  ND  ND  ND  ND  ND 

24  AT4G25800  O  O  O  O  O  O  O 

25  AT5G03240 1‐6h                +   12‐24h                    ‐ 

O  O  ‐/O  +  +  O 

29  AT5G57110  ‐  O  O  O  O  O  O 

30  AT1G53780  ‐  O  O  O  +  O/+  O 

31  AT2G47850  ‐  O  O  O  O  O  O 

34  AT3G14590  ND  ND  ND  ND  ND  ND  ND 

36  AT4G16160 1h                    + 3‐24h                      ‐ 

O  O  O  O  O  O 

38  AT5G04750 1h                  + 3‐24h                      ‐ 

+  O  O  +  +  O/+ 

39  AT5G52300  ‐  +++  +++  O  +++  +++  O 

40  AT1G30500  ‐  O  O  O  +  O/+  O 

41  AT2G41070  ‐  O  O  O  O  O  O 

42  AT2G41710  ‐  O  O  O  O  O  O 

43  AT2G33830 1h    +   3‐24h                      ‐ 

+  O  O  ++  O  O 

44  AT3G62090  ‐  O  O  O  O  O  O 

45  AT1G01240  ‐  +  +  O  +  O/+  + 

26  

D. Protocol:Extractionofmetabolites(polar+apolarphase)forGC‐TOF‐MSmodified from Proteomics 2004, 4, 78-83  

Internal standard stocks: 

ribitol (adonitol) 1 mg/ml in water (polar phase) 

nonanedecanoic acid methylester 1 mg/ml CHCl3 (organic phase) 

 

Extraction mixes: 

‐ Mix A:   MeOH:CHCl3:internal standard (nonanedecanoicacid me 1 mg/ml):  400µl:280µl:20µl  

‐ Mix B:    Water ribitol: 130 µl water + 20 µl ribitol (1 mg/ml) 

‐ Mix C:    MeOH:CHCl3, 1:1 (v/v) 

 

All steps kept on ice! 

 

Extraction 

‐ weigh ~20mg FW material in 2 ml Eppendorf tube and keep everything frozen! 

‐ add 700 µl mix A 

‐ vortex briefly 

‐ add 150 µl mix B 

‐ vortex thoroughly 

‐ 10 min sonication in Ultrasonic bath 

‐ add 200μL H2O 

‐ vortex thoroughly 

‐ centrifuge 5 min 15000 rpm 

‐ transfer 90% of the upper phase to a 2mL Eppendorf tube 

 

‐ add 0.5 mL mix C to the remaining organic/inter phase 

‐ vortex thoroughly 

‐ keep on ice ~10min 

‐ add 200 μL H2O 

‐ vortex thoroughly 

‐ centrifuge 5 min 15000 rpm 

‐ collect 90% of the upper phase and add to the previously collected polar phase 

‐ collect the (lower) organic phase and transfer to a glass vial 

‐ store the organic phase at ‐20°C until further processing 

 

‐ transfer 25 µl of 10x diluted and 25‐100‐200 µl of the undiluted polar phase to inserts in 1.5 ml     

  glass GC‐vials and dry over night 

‐ analyse on the GC‐TOF‐MS using the online derivatisation protocol. 

 

100µl in insert 

 

27  

E. Batchesgreenhouse 

Table 1 Selected Mutant lines 

Line   Batch 

T‐DNA (agi)  Name/Code Function T‐DNA line NASC code 

Genotyping 

1  2 3

3  x  AT1G33970  P‐loop containing nucleoside triphosphate hydrolases superfamily protein 

response to bacterium/GTP binding SAIL_534_B01 N866206 Wild type 

6  x  x x AT2G01100  unknown protein SALK_009782C N681000 Homozygous 

8  x  AT5G01520  ABA INSENSITIVE RING PROTEIN 2 zinc ion binding SALK_062995 N562995 Wild type 

9  x  AT5G22000  RING‐H2 GROUP F2A regulation of cell cycle SALK_128063C N659554 ‐

10  x  x x AT5G58720  smr (Small MutS Related) domain‐containing protein 

Smr protein/MutS2 C‐terminal  SALK_065495C N656593 Homozygous 

12  x  AT5G66400  RESPONSIVE TO ABA 18 SAIL_244_F10 N866138 Wild type 

13  x  x AT4G01450  UMAMIT30 nodulin MtN21‐like transporter family protein SALK_146977 N646977 Heterozygous 

18  x  x AT1G04300  TRAF‐like superfamily protein molecular function unknown  SALK_026088 N678276 Heterozygous 

20  x  x AT2G04240  XERICO  zinc ion binding/abscisic acid metabolic process/response to osmotic stress/response to chitin/protein binding/response to salt stress/response to gibberellin stimulus 

SALK_075188C N675804 Heterozygous 

21  x  AT3G14880  transcription factor‐related SALK_056670 N556670 Wild type 

22  x  x x AT3G52180  STARCH‐EXCESS 4  Encodes a plant‐specific glucan phosphatase that contains a noncatalytic carbohydrate‐binding module as well as a dual specificity protein phosphatase domain. 

SALK_102567C N663517 Homozygous 

23  x  x x AT3G53530  SODIUM POTASSIUM ROOT DEFECTIVE 3 metal ion transport SALK_000691C N673581 Homozygous 

24  x  x AT4G25800  Calmodulin‐binding protein SALK_040280C N655462 Heterozygous 

25  x  x AT5G03240  POLYUBIQUITIN 3 encodes ubiquitin that is attached to proteins destined for degradation 

SALK_148831C N683036 Heterozygous 

29  x  x x AT5G57110  AUTOINHIBITED CA2+ ‐ATPASE SALK_057877C N662571 Homozygous 

30  x  x AT1G53780  peptidyl‐prolyl cis‐trans isomerases ATPase activity/protein catabolic process/nucleoside‐triphosphatase activity/peptidyl‐prolyl cis‐trans isomerase activity/nucleotide binding 

SALK_106176C N654821 Heterozygous 

31  x  x AT2G47850  Zinc finger C‐x8‐C‐x5‐C‐x3‐H type family protein 

zinc ion binding SALK_054523C N662511 Heterozygous 

28  

34  x  x x AT3G14590  NTMC2T6.2 Calcium‐dependent lipid‐binding  SALK_131027 N631027 Homozygous 

36  x  x AT4G16160  ATOEP16‐S plastid outer membrane/mitochondrial inner membrane presequence translocase complex/P‐P‐bond‐hydrolysis‐driven protein transmembrane transporter activit 

SALK_025109 N525109 Heterozygous 

38  x  x AT5G04750  F1F0‐ATPase inhibitor protein SALK_023158C  N679430 Heterozygous 

39    x x AT5G52300  73A HM  Primers 926/927 Homozygous 

40    x x AT1G30500  CBF/NF‐yA7 SALK_020063 Homozygous 

41    x x AT2G41070  Bzip12/eel SALK_021965 Homozygous 

42    x x AT2G41710    N658851 Homozygous 

43    x x AT2G33830  dormancy/auxin associated family protein SALK_054451.53.45.x N554451 Homozygous 

44    x x AT3G62090  PIL2 (PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3‐LIKE 2); protein binding / transcription factor 

SALK_090239C N661012 Homozygous 

45    x x AT1G01240  unknown protein SALK_104275C N653407 Homozygous 

29  

F. Re‐establishmentofDTwithnaturaldrying  

Figure  8:  Re‐establishment  of  desiccation  tolerance  innatural drying conditions  for  the developmental stages RPand RH.  After 72 hour drying seeds were put for 1 week onthe  Copenhagen  table.  Seeds  which  germinated  werecounted and are shown as a survival percentage. 

30  

G. Metabolomicsgraphs

c

a

c

a

c

a

c

a

b

a

0

4

8

12

16

Xylo se

abc c abc abc abc a ab bc abc abc

0

3

6

9

12

15

Urea

abcd

ad

bcd

ab

dc

d

0

3

6

9

12

15

Valine

abc c a abc ab abc ab abc abc bc

0

4

8

12

16

Tyrosine 3tms

ab

ab

ab

ab

ab

0

4

8

12

16

Th reonine 3tms

abc de bc

ef

bc

ef

abc d

f

a

de

0

4

8

12

Threito l

ab c b cb c b

ca

d

0

5

10

15

20

Sucrose

b

a

b

a

b

a

b

a

b

a

0

4

8

12

16

Su ccinic acid

a

b

a

b

a

b

a

b

a

b

0

4

8

12

S-M eth yl-L-cysteine

ab

c

a

c

ab

c

ab

cb

c

0

4

8

12

16

Ser ine

a

b

a

b

a

b

a

b

a

b

0

4

8

12

16

Raffinose

dabcd

c dabc d

d

a

bc d

abc

c d

ab

0

3

6

9

12

Pyru vic acid

abc

ab

cb

ca

cb

c

0

4

8

12

16

Pyro glu tamic acid

bde df bc def

bcde c bc e c def

a ab

0

3

6

9

12

Putrescine

a

bc

a

bc

ab

a

bca

c

0

5

10

15

20

Proline

a cab

c ab c ab c b c

0

5

10

15

20

Pho sphoric acid

bcab

bcabc

cab

aba

bcab

0

4

8

12

16

Ph enylalan ine

abc bc ab aabc

abc abc abc a c

0

3

6

9

12

No nanoic acid

bc

ab

cabc

c

abc

c

abc

a

0

4

8

12

16

N-Acetylglu tamic acid

d

b

d

ab

d

ab

c d

a

c

a

0

5

10

15

20

Myo ino sitol

a c bc bcab

abcabc

c ab abc

0

3

6

9

12

Mono methylpho sp hate (2TM S)ab

ab ab bb

aba ab

b

ab

0

2

4

6

8

10

Methio nin e

b

a

b

a

b

a

b

a

b

a

0

5

10

15

20

M al ic acid

abc

ac

abc

ac

a b

0

4

8

12

16

Lysine

a bc abc a bc a c

abbc

0

4

8

12

16

Leucine 2tms

ab

ab

a b ab a b

0

4

8

12

16

isoleu cine

acde

abd

cab

cea

cab bde

0

4

8

12

16

Glycolic acid

abc abcd abd b c d a bc d ab

bc

0

4

8

12

16

G lycin e (3tms)

b

a

b

a

b

a

b

a

b

a

0

4

8

12

16

Glyceric acid

a ca

abc a bc a c b c

0

5

10

15

20

Glutamine

bcdabc

c dab

dabc d

bc dab

cd

a

0

5

10

15

20

Glu tamic acid

cabc

cabc

cabc

c

abbc

a

0

4

8

12

16

G lucose-6-pho sphatebc

abc bc abc

abcbc

abc bca

0

5

10

15

20

Glucose

abab

abc da

cd

ab

d

abbc

ab

0

4

8

12

16

Glu copyrano se

b

ab

a

b

a

b

a

b

a

0

4

8

12

16

Galactinol

a deab bc de abc d abc e c de

abcdeab

0

4

8

12

16

GABA

bc dab

bca

c

abbc

ab

d

bc

0

4

8

12

16

Fu maric acid

c d

ab

c

a

c

a

c

a

bd

a

0

5

10

15

20

Fructose

c d

ab

c

a

c

a

c

a

bd

a

0

5

10

15

20

Ethano lamin e

aab

a aba

abab

abab

b

0

5

10

15

20

Citric acid

b

c

b

c

ab

c

ab

c

a

c

0

4

8

12

16

beta-D-Methyl fr uctofuranoside

cabc

c abcc

abcbc

abc ba

0

3

6

9

12

Beta alan ine

a ba

b a b a b a b

0

2

4

6

8

10

Ben zo ic acida b a b a b a b a b

0

4

8

12

16

aspartic acid

ab c da

cd a c d ab cd bc d

4

8

12

16

Asp ar agin e

abc abd bc d a bc d

abc d c d ab bc d

4

8

12

16

ascorb ic acid

bac

bac

b

a

bc

a

b

a

4

8

12

16

alfa-ketoglu tar ic acidc

a

c

a

c

a

c

a

b

a

4

8

12

16

4-Hydroxypr olineab

b a b ab ab a bab

ab

4

8

12

16

Alan ine

abc bca abc

ab bc ab abc b c

0

4

8

12

16

Tryp to phan

31