Hormonální regulace exprese KNOX genů u rostlin

Mgr. Přemysl Souček, Ph.D.

Doctoral thesis

Hormonal regulation of KNOX gene expression in plants

Abstract:

Rostlinné hormony řídí vývoj rostlin modulací exprese regulačních genů včetně genů KNOX, které obsahují homeobox. Mnohé interakce podílející se na vývojových procesech stále nejsou objasněny. Proto byla studována hormonální regulace exprese KNOX I genů pomocí exogenní aplikace hormonů a indukovatelné exprese transgenního ipt vedoucí ke zvýšení endogenní hladiny cytokininů (CK). Aplikace auxinů, kyseliny abscisové (ABA), CK, etylénu, ani giberelinů (GA) nezpůsobila ektopickou expresi genu BP (BREVIPEDICELLUS). Exprese BP byla silně redukována působením ABA a zvýšena po aplikaci auxinů, což korelovalo s iniciací tvorby primordií postranních kořenů, které silně exprimují gen BP. Ostatní zkoumané hormony nezpůsobily na úrovni celých semenáčků změnu v expresi genu BP. Po krátkodobé aktivaci exprese ipt byla pozorována odlišná orgánově specifická regulace exprese KNOX I genů. Zatímco u některých KNOX I genů bylo zřejmé dočasné navýšení exprese, exprese STM v hypokotylu byla specificky reprimována (zvláště za nízkého osvětlení). V kotyledonech předcházela aktivace CK-responzivních genů aktivaci ipt, což naznačuje, že CK jsou transportovány rychleji než indukční agens (dexametazon). Dlouhodobé zvýšení hladiny CK způsobilo v hypokotylech zvýšení hladiny většiny transkriptů KNOX I genů, což korelovalo s radiální expanzí vodivých pletiv, které jsou hlavní zónou, v níž jsou KNOX I geny exprimovány. To by naznačovalo, že CK měly malý vliv na aktivitu KNOX I promotorů. Žádné změny v senzitivitě k hormonům nebyly pozorovány u mutantů bp a stm. Konstitutivně zvýšená exprese genu BP způsobila redukci počtu a délky postranních kořenů, přičemž délka hlavního kořene zůstala nezměněna. Tyto transgenní rostliny vykazovaly slabé, nicméně signifikantní změny v senzitivitě k ABA, CK a kyselině 1-amino-cyklopropan-1-karboxylové (prekurzoru etylénu).

Abstract:

Plant hormones control plant development by modulating the expression of regulatory genes, including homeobox-containing KNOX genes. However, much remains to be elucidated about the interactions involved. Therefore, hormonal regulation of KNOX I gene expression was investigated using hormone applications and an inducible transgenic ipt expression system to increase endogenous cytokinin (CK) levels. Treatments with auxin, abscisic acid (ABA), cytokinins, ethylene, and gibberellin (GA) did not result in ectopic expression of the BP (BREVIPEDICELLUS) gene. However, BP expression was strongly reduced by ABA, increased by auxin treatment (correlating with the initiation of lateral root meristems, which strongly express BP), and did not significantly respond to short-term treatments with the other hormones in whole seedlings. Following short-term ipt activation, organ-specific differential regulation of KNOX I gene expression was observed. While several KNOX I genes were transiently upregulated to low levels, STM was selectively repressed (especially at low light) in hypocotyls. In cotyledons, activation of CK-responsive genes preceded ipt induction, suggesting that CKs are transported more rapidly than the inducing agent (dexamethasone). Long-term increases in CK levels induced raised levels of several KNOX I transcripts in hypocotyls, correlating with the radial expansion of vascular tissues, the main domains of KNOX I gene expression, suggesting that CKs had little effect on KNOX I promoter activity. No alterations in hormone sensitivity were observed in a bp and stm null mutant. Constitutive BP overexpression caused reductions in the length and number of lateral roots, while the primary root remained unaffected. The transgenic seedlings displayed weak, but significant, alterations in sensitivity to ABA, CK, and 1-amino-cyclopropane-1-carboxylic acid (ethylene precursor).

Keywords

geny KNOX, rostlinné hormony, cytokininy, regulace genové exprese, Q RT-PCR, Arabidopsis thaliana, KNOX genes, plant hormones, cytokinins, regulation of gene expression

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 6. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2008
• Supervisor: prof. RNDr. Břetislav Brzobohatý, CSc.
• Reader: prof. Ing. Miroslav Strnad, DSc., prof. RNDr. Ladislav Havel, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / General and Molecular Genetics