Studium de-etiolizace indukované modrým světlem u rajčete: úloha TFT proteinů, PHOT1 a cytokininů

Mgr. Petra HOFMANOVÁ, PhD.

Doctoral thesis

Study of de-etiolation in tomato: role of TFT9 protein, PHOT1 and cytokinins

Abstract:

De-etiolation is the first developmental process under light control allowing the heterotrophic seedling to become autotrophic. The phytohormones cytokinins (CKs) largely contribute to this process. Reversible phosphorylation is a key event of cell signaling, allowing proteins to become active or generating a binding site for specific protein interaction. 14-3-3 proteins regulate a variety of plant responses. Upon exposure to blue light (BL), reduction of hypocotyl growth rate occurs in two phases: a rapid inhibition mediated by phototropin 1 (PHOT1) within the first 30 min of illumination, followed by the cryptochrome 1 (CRY1)-controlled establishment of the steady-state growth rate. Although some information is available for CRY1-mediated de-etiolation, less attention has been given to the PHOT1 phase of de-etiolation. Using subtractive cDNA library, we were able to identify important regulatory mechanisms, potentially regulated by PHOT1 in tomato (Solanum lycopersicum L.). The profound induction of transcription/translation, as well as modification of chromatin structure, is relevant in regard to the fact that the entry into photomorphogenesis is based on a deep reprograming of the cell. Also, BL restrains the cell expansion by the rapid modification of the cell wall. Furthermore, the expression, hormonal regulation, and proteomic network under the control of 14-3-3s were addressed during blue light-induced photomorphogenesis. TFT9 and TFT6 isoforms were specifically investigated due to their high expression during tomato de-etiolation. The multidisciplinary approach demonstrated that TFT9 expression, but not TFT6, was regulated by CKs and identified cis-regulating elements required for this response. Subsequently, the TFT6/9 interactome linked to de-etiolation was investigated and evidenced that 14-3-3s might be involved in CK signaling pathway, cell expansion inhibition, steady-state growth rate establishment, and reprograming from heterotrophy. Finally, amiRNA interference was used to generate tomato phot1 plants. Downregulation of PHOT1 caused distinct phenotype in plant height and number of trichomes on the leaf and stem surface. Also, the serrations on the leaf margine and leaf flattening was altered which may be associated with changed level of transpiration and efficiency of photosynthesis. The fruits of mutant plant were darker green with lower number of seeds showing delayed germination. Proteomic analysis of fruit pericarp showed changes in proteins connected with organoleptic properties of fruit and carotenoid biosynthesis pathway which is in correlation with higher content of carotenoids, important components in human diet.

Abstract:

De-etiolace je první vývojový proces pod kontrolou světla, který umožňuje heterotrofnímu semenáčku stát se autotrofním. Rostlinné hormony cytokininy (CK) velmi přispívají k tomuto procesu. Reversibilní fosforylace je klíčovou událostí buněčné signalizace, která umožňuje aktivovat proteiny nebo vytvářet vazebná místa pro specifickou interakci proteinů. 14-3-3 proteiny (TFT) regulují různé reakce rostlin. Po ozáření modrým světlem dochází ke snížení rychlosti růstu hypokotylů ve dvou fázích. Po rychlé inhibici růstu zprostředkované fototropinem 1 (PHOT1) během prvních 30 minut po osvětlení následuje ustálený růst, který je řízen kryptochromem 1 (CRY1). Zatímco de-etiolace zprostředkovaná CRY1 je prozkoumána, menší pozornost se věnuje fázi de-etiolace pod kontrolou PHOT1. Pomocí subtraktivní cDNA knihovny byly identifikovány důležité regulační mechanismy, potenciálně regulované PHOT1 u rajčete (Solanum lycopersicum L.). Indukce transkripce a translace, stejně tak jako modifikace struktury chromatinu je důležitá z hlediska skutečnosti, že zahájení fotomorfogeneze je založeno na výrazném reprogramování buňky. Modré světlo také blokuje expanzi buněk rychlou modifikací buněčné stěny. Dále byla studována exprese, hormonální regulace a proteomická síť pod kontrolou 14-3-3 proteinů při fotomorfogenezi indukované modrým světlem. TFT6 a TFT9 isoformy byly specificky zkoumány kvůli jejich vysoké expresi během de-etiolace u rajčete. Multidisciplinární přístup ukázal, že exprese TFT9, ale ne TFT6, byla regulována CK a byly identifikovány cis-regulační elementy potřebné pro tuto reakci. Následně byl zkoumán interaktom TFT6/9 spojený s de-etiolací a bylo dokázáno, že 14-3-3 proteiny by mohly být zapojeny do signalizační dráhy CK, inhibice expanze buněk, ustáleného stavu růstu a reprogramování z heterotrofie. Nakonec byla použita amiRNA interference k přípravě mutantních rostlin phot1 u rajčete. Snížená exprese PHOT1 výrazně ovlivnila fenotyp rostlin, především výšku a počet trichomů na povrchu listu i stonku. Rovněž vroubkování okraje listů a jejich zploštění bylo rozdílné, což by mohlo být spojeno se změněnou úrovní transpirace a účinností fotosyntézy. Plody mutantní rostliny byly tmavě zelené s nižším počtem semen, vykazujících zpožděné klíčení. Proteomická analýza perikarpu plodů ukázala změny v proteinech spojených s organoleptickými vlastnostmi a syntézou karotenoidů, což je v souladu s vyšším obsahem karotenoidů, důležitých složek potravy.

Keywords

modré světlo, rajče, de-etiolizace, TFT proteiny, PHOT1

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 1. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 2. 4. 2019
• Supervisor: Véronique Hélene Bergougnoux-fojtik, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry