Differential proteomics and phosphoproteomics of hormonal regulations in plants

Mgr. Markéta Žďárská, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cytokininy jsou rostlinné hormony, zapojené do mnoha vývojových a fyziologických procesů probíhajících v Arabidopsis thaliana. Cytokininová odpověď se liší v různých částech rostliny, například se ukazuje, že cytokinin má opačný vliv na růst a vývoj prýtu a kořene. Nicméně molekulární mechanismy cytokininové specifity na úrovni jednotlivých pletiv ještě nejsou zcela objasněny. Naše analýzy ukazují, že působení aromatického cytokininu 6-benzylaminopurinu (BAP) na úrovni proteomu Arabidopsis způsobuje výraznou pletivovou a časově specifickou odpověď. Také jsme zjistili, že BAP ovlivňuje homeostazi endogenních hormonů, která je ve studovaných pletivech rozdílná. V prýtu BAP reguluje proteiny zahrnuté v biosyntéze kyseliny abscisové (ABA) a také proteiny zapojené do regulačních odpovědích na ABA, zatímco v kořeni BAP silně ovlivňuje většinu enzymů biosyntézy etylénu. Tato pozorování byla dále podpořena měřením hladin jednotlivých hormonů, které ukázalo, že BAP indukuje hladiny ABA v prýtu a prekurzor etylénové biosyntézy, kyselinu 1-aminocyklopropan-1-karboxylovou (ACC), v kořeni. Dále jsme zjistili, že etylénová biosyntéza výrazně ovlivňuje zkracování kořene na úrovni kořenového meristému po aplikaci BAP. Také jsme ukázali, že vnímání etylénu má výrazný vliv na zkracování kořene způsobené BAP a že kořenová odpověď na BAP je závislá na aktivitě etylénové signální dráhy. Na základě našich zjištění se lze tedy domnívat, že aktivita etylénového receptoru ETR1 má vliv na dráhu vícekrokového přenosu fosfátu a propojuje tak cytokininovou a etylénovou odpověď. Nakonec jsme se snažili objasnit molekulární mechanismy cytokininem ovlivněné kinázy a fosfatázy. Podařilo se nám najít několik slibných kandidátů a v současné době pracujeme na optimalizaci fosfoproteomické analýzy.

Abstract:

The plant hormones cytokinins (CKs) mediate a large spectrum of developmental and physiological processes in Arabidopsis thaliana. The response to CK can vary in diverse organs and tissues, in particular the response to CKs seems to be opposite in the shoot and root. However, the molecular mechanisms underlying the shoot and root specific targets of CK regulation remain to be clarified. Our analyses uncovered that the Arabidopsis proteome responds with strong tissue- and time-specificity to aromatic CK 6-benzylaminopurine (BAP). Further, we found that BAP treatment influences endogenous hormonal homeostasis, again with strong tissue specificity. In the shoot, BAP upregulates the abundance of proteins involved in abscisic acid (ABA) biosynthesis and the ABA response, while in the root BAP upregulates strongly and quickly the majority part of enzymes catalyzing biosynthesis of ethylene. This was further supported by direct measurements of hormone metabolites showing that BAP enhances ABA levels in the shoot and 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC), the rate-limiting precursor of ethylene biosynthesis, in the root. In a support of physiological importance of these findings, we also showed that the BAP regulation of individual members of ethylene biosynthesis impacts the BAP effect on the root growth. We further revealed an unexpected role of ethylene biosynthesis in the BAP-mediated reduction of the RAM size. We also demonstrate that the ethylene perception via ETR1 significantly affects the BAP–induced root shortening and that the BAP root response is dependent on the activity of the downstream ethylene signaling pathway. Overall, we propose that the ethylene receptor ETR1 modulates multi-step phosphorelay (MSP) activity, thus integrating both CK and ethylene signaling. Finally, we tried to clarify the molecular mechanisms of CK-responsive kinases and phosphatases. Up to now, we identified several promising candidates and the phosphoproteomic analyses are currently in progress.

Keywords

Arabidopsis thaliana, cytokinin, ethylene, hormonal crosstalk, proteomic analysis, etylén, hormonální interakce, proteomická analýza

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 2. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 12. 3. 2013
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Hejátko, Ph.D.
• Reader: Ing. Miroslav Kamínek, CSc., prof. Mgr. Marek Šebela, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Genomics and Proteomics