Elucidating the molecular mechanisms behind strigolactones mediated developmental events in Arabidopsis thaliana

Sravankumar Thula, M.Sc.

Doctoral thesis

Abstract:

Rostliny jsou v přírodě autotrofní povahy, přeměňují sluneční záření na chemickou energii, kterou lze využít pro různé rostlinné procesy. Rostliny jsou sesilní a jsou vystaveny abiotickým i biotickým stresovým faktorům. To způsobuje několik fyziologických a metabolických změn v rostlinách, které ovlivňují růst a vývin. Abiotické a biotické faktory způsobují endogenní signalizaci v rostlinách, zprostředkovanou různými fytohormony, jako jsou auxiny (IAA), gibereliny (GA), kyselina abscisová (ABA), brassinosteroidy (BR), ethylen (ET), cytokininy (CK) a strigolaktony (SL). SL jsou skupinou fytohormonů, o kterých se uvádí, že se podílejí na různých fázích vývinu rostlin od klíčení semen až po stárnutí. Kromě toho, SL také působí jako reakční molekula proti různým stresovým reakcím, jako je slanost, sucho a světlo. SL jsou odvozeny od karotenoidů (β-karoten), který je konvertován na karlakton (CL), aktivní prekurzor SL pomocí izomerázou D27 a párem proteinů rodiny karotenoid dioxygenázy (CCD), CCD7/MAX3 a CCD8/MAX4. Stejně jako ostatní rostlinné hormony IAA a CK, SL sdílí signální mechanismus zprostředkovaný ubikvitinací. V biologii SL stále existuje spousta neprozkoumané molekulární regulační sítě. Znalosti o biologii SL v rostlinách se zdají být jen špičkou ledovce v oceánu a k pochopení mnoha nezodpovězených rolí SL ve vývinu rostlin je zapotřebí mnoho studií. Cílem práce je přinést nové pohledy na biologii SL. Práce se skládá ze čtyř cílů. První cíl zahrnuje charakterizaci kandidátního genu TGH, který je vybrán z biologie SL zprostředkované celogenomovou asociační studií (GWAS), kde se uvádí, že TGH se podílí na zrání miRNA. Abychom porozuměli úloze TGH v biologii SL, studovali jsme účinek syntetických SL (rac-GR24) na knockout TGH linie, over-expresní linie a také několik vybraných miRNA knockout líní. Abychom shrnuli první cíl, je zapotřebí několik následných experimentů. Druhý cíl byl vytvořen po meta-analýze transkriptomových dat hlavních fytohormonů, kde jsme našli geny fotosyntézy výhradně regulované SL. Vzali jsme světlo jako stresový prvek, abychom prozkoumali roli SL ve fotosyntéze. Studovali jsme stres zprostředkovaný vysokým světlem a jeho adaptace u Arabidopsis thaliana zkoumáním transkriptu genů ROS, fotosyntetických pigmentů, karotenoidů a primárního metabolitu. Použili jsme SL necitlivé d14 jako kontrolu ve všech experimentech. Třetím cílem bylo charakterizovat SL a rodinu represorových genů KAR (SMXL) z evoluční perspektivy a divergence funkčního motivu (peptidové sekvence) jejich proteinu v signálních drahách. SL a karikiny (sloučenina přítomná v kouři) jsou butenolidy a oba sdílejí mnohočetné vývinové události v rostlinách a signální dráhy zprostředkované MAX2. Charakterizace SL a rodiny represorových genů KAR (SMXL) zahrnuje změny v jejich aminokyselinové sekvenci pomocí bio-informatických a molekulárně biochemických přístupů. To vedlo k identifikaci klíčových motivových rozdílů v represoru SL a signalizace KAR zdůrazňuje funkční diverzifikaci mezi těmito hormony. Poslední cíl se týká evoluční biologie miRNA zpracovávajících proteinů, kde jsme zkoumali evoluci miRNA zpracovávajícího proteinového komplexu zahrnujícího DCL, HYL, SE a TGH. Tyto čtyři cíle práce se zaměřují konkrétně na biologii SL a přispívají k zaplnění některých existujících mezer ve znalostech.

Abstract:

Plants are autotrophic in nature, converting sunlight into chemical energy that can be used for various plant processes. Plants are sessile and they are exposed to both abiotic and biotic stress factors that cause several physiological and metabolic changes in plants that affects growth and development. The abiotic and biotic factors cause endogenous signaling in plants mediated by various phytohormones such as auxins (IAA), gibberellins (GAs), abscisic acid (ABA), brassinosteroids (BRs), ethylene (ET), cytokinins (CKs) and Strigolactones (SLs). SLs are a group of phytohormones reported to be involved in various stages of plant development from seed germination to senescence. In addition, SLs also act as response molecule against various stress responses such as salinity, drought and light. SLs are derived from carotenoids (β-carotene) which is converted to carlactone (CL), an active precursor of SLs by an isomerase D27 and a pair of carotenoid dioxygenase (CCD) family proteins, CCD7/MAX3 and CCD8/MAX4. Similar to other plant hormones such as IAA and CK, the SLs shares the ubiquitination mediated signaling mechanism. Yet, there is a lot of unexplored molecular regulatory mechanisms in the SLs biology. The knowledge on SLs biology in plants seems to be just the tip of the iceberg in an ocean and much studies are required to understand many unanswered roles of SLs in plant development. The purpose of the thesis is to bring new insights into SLs biology. The thesis consists of four objectives. The first objective includes characterization of the candidate gene TGH that is selected from Genome-wide association study (GWAS) mediated SLs biology, where TGH is reported to be involved in miRNA maturation. In order to understand the role of TGH in SL biology, we have studied the effect of synthetic SLs (rac-GR24) on the TGH knockout, overexpression lines as well as few selected miRNAs knockout and overexpression lines. To summarize the first objective, few follow-up experiments are required. The second objective was generated after the meta-analysis of transcriptome data from major phytohormones, where we found the photosynthesis genes exclusively regulated by SLs. We chose the light as a stress element to investigate the SLs role in photosynthesis. We studied the high light mediated stress and its adaptations in Arabidopsis thaliana by examining transcript of ROS genes, photosynthetic pigments, carotenoids and the primary metabolites. We have used the SLs insensitive d14 mutant as control in all the experiments. The third objective was to characterize the SLs and KARs repressor gene family (SMXL) from an evolutionary perspective and functional motif (peptide sequences) divergence of their protein in the signaling pathways. SLs and Karrikins (a smoke-derived compound) are butenolides and they both share multiple developmental events in plants and MAX2 mediated signaling pathways. The characterization of SLs and KARs repressor gene family (SMXL), includes their amino acid sequence changes using bioinformatics and molecular biochemistry approaches. This led to the identification of key motif differences in the repressor of SLs and KARs signaling highlighting the functional diversification between these hormones. The final objective concerns the evolutionary biology of miRNA processing proteins, where we investigated the evolution of the miRNA processing protein complex involving DCL, HYL, SE and TGH. These four objectives of the thesis focus specifically on SLs biology and contribute towards filling some of the existing knowledge gaps.

Keywords

Plants, genomics, evolution, strigolactones, High light stress, miRNAs, TOUGH, SMXL repressors

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 9. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 9. 11. 2022
• Supervisor: Ph.D. Sibu Simon
• Reader: Mgr. Matyáš Fendrych, Ph.D., Mgr. Danuše Tarkowská, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Genomics and Proteomics / Genomics and Proteomics