Global proteome analysis of temperature perception in Arabidopsis thaliana and its cross-talk with cytokinin signaling pathway at the proteome response level

Mgr. Jan Skalák, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Rostliny jsou přisedlé organismy, které se nemohou v reakci na nepříznivé prostředí aktivně přesunout ze své aktuální polohy do míst s ideálnějšími podmínkami pro růst. Proto se v rostlinách vyvinul sofistikovaný systém hormonálních regulací, které umožňují účinné vypořádání se s negativními vlivy prostředí prostřednictvím vhodné odezvy rostlin, jako je aktivace antioxidačního systému, akumulace ochranných osmolytů a adaptace metabolismu. Cytokininy (CK) jsou rostlinné hormony, které hrají důležitou roli v regulaci vývoje a růstu rostlin. CK intenzívně interagují s řadou důležitých signálních drah v rostlině. Naše výsledky ukázaly propojení mezi CK a vnímáním teploty v časné fázi stresové odezvy. V další práci jsme prokázali funkci CK při teplotní odpovědi rostlin porovnáním odezvy rostlin Arabidopsis thaliana se zvýšenou hladinou CK (prostřednictvím stimulace exprese genu zapojeného do biosyntézy CK - ipt) a odpovídajícího výchozího genotypu (ekotyp Col-0). Rostliny byly vystaveny třem různým druhům teplotního stresu po dobu 3 hodin: teplotní stres na nadzemní část, teplotní stres na kořeny a teplotní stres na celou rostlinu. Účinky teplotního stresu byly analyzovány na úrovni proteomu pomocí 2-D gelové elektroforézy následovanou identifikací proteinů pomocí MALDI-TOF/TOF, v kořenech a v listech po imunochemickém snížení hladiny Rubisco. Bylo nalezeno více než 100 proteinů regulovaných teplotou, z nichž většina vykazovala silnou modulaci zvýšenou hladinou CK. Dosažené výsledky naznačují komunikaci mezi kořeny a listy po aplikaci cíleného teplotního stresu. Navýšení CK a stimulace jejich signální dráhy v částech rostlin, které nebyly vystaveny teplotnímu stresu, naznačuje jejich funkci při obraně rostlin vůči stresu.

Abstract:

Plants, as sessile organisms, are not able to solve problems with adverse environmental conditions by immediate and active change of location. Therefore, plants have developed sophisticated system of hormonal regulations, which enables them to cope with actual environmental conditions by stimulation of appropriate responses, such as activation of ROS scavenging mechanisms, accumulation of protective osmolytes, adaptation of metabolism to efficiently counteract the negative effects of environment, etc. Cytokinins (CK) are phytohormones which play an important role in regulation of plant growth and development as well as in stress responses. CKs exhibit intensive cross-talk with many signaling pathways in plants. In our recent work we found a link between CKs and temperature perception at the early response to heat stress and in the follow-up project we proved the CK effect using plants with increased CK levels during the temperature-stress responses. Plants were subjected to 3 different kinds of heat stress for up to 3 hours: heat stress applied to shoots, heat stress applied from below (to roots) and heat stress exposure of the whole plants. We analyzed heat stress induced responses of proteome by 2-D gel electrophoresis followed by MALDI-TOF/TOF protein identification in root proteome and Rubisco-immunodepleted leaf proteome. We compared the response of Arabidopsis plants with increased endogenous CK levels, i.e. transformants with dexamethasone inducible expression of CK biosynthetic gene (ipt), and corresponding wild-type (Col-0). We found more than 100 heat-stress responsive proteins and most of them exhibited strong modulation by increased CK levels. Moreover, our results indicated interesting interplay between heat-stress perception in roots and leaves. Transient CK accumulation and stimulation of their signal transduction in the HS non-exposed tissue(s) indicated CK function in plant stress defense.

Keywords

Arabidopsis thaliana, cytokinin, heat stress, proteome

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 8. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 26. 9. 2016
• Supervisor: prof. RNDr. Břetislav Brzobohatý, CSc.
• Reader: prof. Mgr. Marek Šebela, Ph.D., doc. Ing. Jan Krekule, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Biophysics