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Die Clusterwurzeln der Weißen Lupine sind spezialisierte, bürstenartige Wurzelstrukturen, die in manchen Pflanzenarten unter Phosphormangel gebildet werden. Sie scheiden intensiv Protonen und organische Anionen aus, um schwer lösliche Phosphate zu lösen und pflanzenverfügbar zu machen. Wegen der außerordentlichen Phosphor (P)-Effizienz dient die Weiße Lupine seit vielen Jahren als aufschlussreicher Modellorganismus der Erforschung der Anpassung von Pflanzen an Phosphormangel. Ziel dieser Studie war es, genetische Komponenten der Clusterwurzelentwicklung und deren Funktion bei Phosphormangel zu identifizieren und damit die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Insbesondere standen ein Peptid (LaCEP1), welches eine mögliche Rolle als Signal bei der Clusterwurzelentwicklung haben könnte und Kandidatengene für die Ausschüttung von organischen Molekülen im Zentrum dieser Arbeit., White lupin cluster roots are specialized brush-like root structures that are formed in some species under phosphorus (P)-deficient conditions. They intensely secrete protons and organic anions for solubilization and acquisition of sparingly soluble phosphates. Because of the outstanding P efficiency of white lupin, this species has served as an illuminating model for plant adaptations to phosphorus deficiency. Since decades, numerous studies were carried out to gain a comprehensive knowledge of cluster root formation and function. The aim of this study was to identify genetic components involved in cluster root development and to identify the transporter genes that are potentially involved in citrate andmalate secretion under P deficiency as well as under toxic aluminium (Al) exposure.

Die Clusterwurzeln der Weißen Lupine sind spezialisierte, bürstenartige Wurzelstrukturen, die in manchen Pflanzenarten unter Phosphormangel gebildet werden. Sie scheiden intensiv Protonen und organische Anionen aus, um schwer lösliche Phosphate zu lösen und pflanzenverfügbar zu machen. Wegen der außerordentlichen Phosphor (P)-Effizienz dient die Weiße Lupine seit vielen Jahren als aufschlussreicher Modellorganismus der Erforschung der Anpassung von Pflanzen an Phosphormangel. Ziel dieser Studie war es, genetische Komponenten der Clusterwurzelentwicklung und deren Funktion bei Phosphormangel zu identifizieren und damit die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Insbesondere standen ein Peptid (LaCEP1), welches eine mögliche Rolle als Signal bei der Clusterwurzelentwicklung haben könnte und Kandidatengene für die Ausschüttung von organischen Molekülen im Zentrum dieser Arbeit., White lupin cluster roots are specialized brush-like root structures that are formed in some species under phosphorus (P)-deficient conditions. They intensely secrete protons and organic anions for solubilization and acquisition of sparingly soluble phosphates. Because of the outstanding P efficiency of white lupin, this species has served as an illuminating model for plant adaptations to phosphorus deficiency. Since decades, numerous studies were carried out to gain a comprehensive knowledge of cluster root formation and function. The aim of this study was to identify genetic components involved in cluster root development and to identify the transporter genes that are potentially involved in citrate andmalate secretion under P deficiency as well as under toxic aluminium (Al) exposure.

Die Clusterwurzeln der Weißen Lupine sind spezialisierte, bürstenartige Wurzelstrukturen, die in manchen Pflanzenarten unter Phosphormangel gebildet werden. Sie scheiden intensiv Protonen und organische Anionen aus, um schwer lösliche Phosphate zu lösen und pflanzenverfügbar zu machen. Wegen der außerordentlichen Phosphor (P)-Effizienz dient die Weiße Lupine seit vielen Jahren als aufschlussreicher Modellorganismus der Erforschung der Anpassung von Pflanzen an Phosphormangel. Ziel dieser Studie war es, genetische Komponenten der Clusterwurzelentwicklung und deren Funktion bei Phosphormangel zu identifizieren und damit die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Insbesondere standen ein Peptid (LaCEP1), welches eine mögliche Rolle als Signal bei der Clusterwurzelentwicklung haben könnte und Kandidatengene für die Ausschüttung von organischen Molekülen im Zentrum dieser Arbeit., White lupin cluster roots are specialized brush-like root structures that are formed in some species under phosphorus (P)-deficient conditions. They intensely secrete protons and organic anions for solubilization and acquisition of sparingly soluble phosphates. Because of the outstanding P efficiency of white lupin, this species has served as an illuminating model for plant adaptations to phosphorus deficiency. Since decades, numerous studies were carried out to gain a comprehensive knowledge of cluster root formation and function. The aim of this study was to identify genetic components involved in cluster root development and to identify the transporter genes that are potentially involved in citrate andmalate secretion under P deficiency as well as under toxic aluminium (Al) exposure.

Lupinus albus (Weisslupine) ist eine Kulturpflanzenart mit außergewöhnlich stark ausgeprägter Fähigkeit zur Aneignung schwerlöslicher Bodenphosphate (P), was in diesem Fall durch die Ausbildung flaschenbürstenartiger Clusterwurzeln erreicht wird, welche die intensive Abgabe P-mobilisierender Wurzelabscheidungen (Citrat, Phenole, Protonen und saure Phosphatasen) vermitteln. Sie wird daher seit langem als Modellpflanze für Untersuchungen zur pflanzlichen P-Aneignung durch wurzelinduzierte Veränderungen der Rhizosphärenchemie genutzt. Während der vergangenen beiden Jahrzehnte wurden so durch überwiegend hypothesenorientierte Forschungsansätze bereits umfangreiche Informationen zur Funktion und Physiologie von Clusterwurzeln erarbeitet. Darauf basierend, wird in der vorliegenden Untersuchung nun versucht, über Transkriptom-Sequenzierung einen noch umfassenderen Überblick über die metabolischen Veränderungen während der Clusterwurzelentwicklung zu gewinnen. Auf dieser Basis wurden weiterführende Forschungsfragen zur Regulation und Funktion von Clusterwurzeln formuliert und detailierter untersucht: Kapitel I beschreibt die Transkriptomanalyse, die hier zum ersten Mal für einen systematischen Vergleich verschiedener Stadien der Clusterwurzelentwicklung eingesetzt wurde. Um Einblicke in die regulatorischen Faktoren zu erhalten, die an der Bildung von Clusterwurzeln beteiligt sind, wurde besonderes Augenmerk auf Gene mit Bezug zum Phytohormonstoffwechsel gelegt. Die Induktion von Clusterwurzelprimordien in den subapikalen Seitenwurzelzonen, spiegelte sich in einer intensiven Expression von Genen wider, die am Transport und der Synthese von Auxinen, Brassinosteroiden (BR) und Cytokininrezeptoren beteiligt sind. Die weitere Entwicklung und „Reifung“ der Clusterwurzeln, die durch Meristemdegeneration und dichte Wurzelhaarbildung gekennzeichnet ist, war dagegen mit einer stark erhöhten Expression von Genen der Ethylenbiosynthese und einer verminderten Expression der Auxin- und B, Among crops, white lupin (Lupinus albus) represents the extraordinary ability to acquire sparingly soluble soil phosphate (Pi) by formation of cluster roots (CRs), mediating intense exudation of phosphorus (P)-mobilising root exudates (citrate, phenolics, protons and acid phosphatase). It is widely used as a model plant for investigations of P acquisition by root-induced chemical modifications of the rhizosphere. During the last two decades, a large pool of information on CR function and physiology was obtained mainly by hypothesis-driven research. Based on these findings, this study was designed to get a more comprehensive picture of the metabolic changes during CR development using a transcriptome sequencing approach. The outcome of the transcriptome analysis was the basis for the formulation of research questions on the regulation of CR formation and function to be investigated more in detail: Chapter I, focuses on transcriptome sequencing used for the first time for a systematic comparison of different stages in CR development. To get insights into the regulatory factors involved in CR formation, special emphasis was placed on hormone-related genes. Initiation of CR primordia in the pre-emergent (PE) zone was reflected by strongest expression of genes involved in transport and biosynthesis of auxins, brassinosteroids (BRs) and cytokinin receptors. Cluster root maturation, involving meristem degeneration and root hair proliferation was associated with strongly increased expression of ethylene-related transcripts and decreased expression of auxin- and BR-related genes. Also transcripts related with abscisic and jasmonic acids and cytokinin degradation were up-regulated in mature (MA) clusters. The primary metabolism, highly expressed in juvenile (JU) clusters, underwent significant modifications during CR maturation with increased contribution of Pi-independent bypass reactions, promoting biosynthesis of organic acids. Citrate catabolism and respiration were down