Profilování transkriptomu a proteomu po působení cytokininů na regulaci přechodu z proliferační do růstové fáze buněk v listech Arabidopsis

Mgr. Jan Skalák, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Transcriptome and proteome profiling of cytokinin action in regulation of transition from cell proliferation to expansion in Arabidopsis leaves

Abstract:

Rostliny jsou mnohobuněčné organismy, které kontrolují svůj růst a morfogenezi tak, aby mohli vyvíjet orgány, jako jsou například listy. Vývoj listu se na buněčné úrovni skládá z několika procesů, mezi něž patří proliferace a růst buněk. Rozdíly v různém trvání jednotlivých fází vývoje buňky určuje jejich konečnou velikost, tvar a funkci. Cytokininy (CKs) jsou důležité v mnoha aspektech vývoje rostlin zahrnující vývoj listu. Nízké hladiny CKs stejně jako narušení jejich signální dráhy vedou k menším listům kvůli snížené úrovně proliferace buněk. Zásadní úlohu hrají cytokininy také v udržování buněčného dělení v apikálním meristému prýtu. Ke sledování účinku změněné hladiny cytokininů na buněčné úrovni v průběhu růstu a vývoje listů Arabidopsis byly použity transgenní rostliny s indukovatelným systémem, který umožnil snížit či naopak zvýšit hladinu cytokininů v různým fázích vývoje listu. Zvýšené hladiny cytokininů v průběhu proliferační fáze buňky tuto fázi prodloužila společně s utlumením růstu buňky, zatímco nedostatek cytokininů v této fázi redukoval buněčné dělení a vedl k předčasnému růstu buněk. Vysoká hladina cytokininů zároveň vedla k oddálení vývoje fotosyntetického aparátu, potvrzující těsné propojení mezi růstem buňky a správnou funkcí fotosyntetického aparátu. Pokud se hladiny cytokininů změnily v pozdějších fázích vývoje listu, zvýšená hladina cytokininů naopak stimulovala růst buněk, a snížená hladina cytokininů vedla k redukci meristematickému dělení a následné redukci počtu průduchů. Transkriptomická a proteomická analýza odhalila změny v hladinách důležitých regulátorů růstu buněk, zatímco hladiny regulátorů buněčného dělení zůstaly nezměněny. Zdá se tedy, že cytokininy raději kontrolují pozdější fáze růstu listu pomocí pozitivním působením na metabolismus, a tím podporují růst buněk. Tyto výsledky dokládají důležitou úlohu cytokininů v různých stádiích vývoje listu.

Abstract:

Plants are multicellular organisms which tightly control their growth and morphogenesis to produce mature organs, such as leaves. At the cellular level, leaf development consists of two main processes, cell proliferation and cell expansion. Differences in the timing, rate and spacing of these developmental processes determine the final leaf size and structure. Cytokinins (CKs) play a key role during many aspects of plant development, including leaf organogenesis. Constitutive reduction of CK content or signaling reportedly yields smaller leaves due to a decrease in cell proliferation, similarly to the well-described function of CKs in maintaining cell division in the shoot apical meristem. To follow the cellular changes induced by altered CK levels during Arabidopsis leaf growth, a dexamethasone-inducible system was used to modulate the CK content during specific stages of Arabidopsis leaf development. Increased levels of CKs during the cell proliferation phase prolonged its duration but inhibited cell expansion, while the lack of CKs suppressed cell division and led to premature onset of cell expansion. Maintaining high levels of CKs also interfered with the onset of photosynthesis, confirming a tight coupling between cell expansion and photosynthesis. When modulated during the cell expansion phase, CKs stimulated cell expansion. Additionally, the lack of CKs led to a reduction in the number of meristemoid divisions and a consequent reduction in stomatal index. Transcriptome and proteome profiling showed that CKs regulate the expression of known growth regulators, rather than directly affect cell cycle regulators, and that CKs may support cell expansion by positively affecting metabolism. In summary, we show that CKs play an important role in regulating cell proliferation, differentiation and expansion throughout leaf development.

Keywords

cytokininy, cytokinins, Arabidopsis, vývoj listu, leaf development, transkriptomika, transcriptomics, proteomika, proteomics

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 10. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 25. 1. 2017
• Supervisor: prof. RNDr. Vojtěch Mornstein, CSc.
• Reader: prof. Ing. Stanislav Procházka, DrSc., doc. Ing. Jan Krekule, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Physics / Biophysics