Functional characterization of chloroplast auxin ABCB transporters and their role in osmotic stress response in Arabidopsis

Prashanth Tamizhselvan, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V poslední době představují abiotické stresové faktory, jako je sucho, zasolení a extrémní teploty, velkou hrozbu pro růst a produktivitu rostlin a jsou odpovědné za značné ztráty výnosů plodin na celém světě. Fotosyntéza je jedním z fyziologických procesů výrazně ovlivněných těmito stresovými podmínkami. Chloroplasty – primární místa fotosyntézy, jsou zapojeny do mnoha důležitých metabolických procesů, jako je například produkce purinů, karotenoidů, lipidů a aminokyselin nebo asimilace dusíku a síry. V chloroplastech navíc probíhají klíčové kroky při produkci růstového regulátoru auxinu a dalších fytohormonů. Tyto a další látky se exportují z chloroplastu do zbytku buňky. Optimální fungování chloroplastů za stresových podmínek tedy zásadně závisí na řízené regulaci různých transportních systémů umístěných v obalových membánách chloroplastů. V naší práci jsme zkoumali souvislost mezi fotosyntézou a homeostází auxinu. Podařilo se nám prokázat biosyntézu auxinu v chloroplastech Arabidopsis thaliana. Kromě toho ukazujeme, že transportéry vázající ATP (ABC) podrodiny B, ABCB28 a ABCB29, lokalizované na vnitřní a vnější membráně chloroplastů, fungují jako exportéry auxinu z chloroplastu do cytosolu. Toto zjištění představuje první dosud objevený transportní systém auxinu v chloroplastech. Nadměrná exprese ABCB28 a ABCB29 u Arabidopsis zvýšila zavírání průduchů při stresu zasolením a suchem, což vede k významnému zlepšení využití vody a přeživání rostliny. Výsledky naznačují, že produkce auxinu v chloroplastech významně přispívá k zavírání průduchů a tím k uchování vody během osmotického stresu. ABCB28 a ABCB29 jsou tedy zásadní pro integraci fotosyntézy a auxinových signálů. Jako takové mají velký potenciál k zlepšování adaptace plodin na podmínky životního prostředí.

Abstract:

In recent times, abiotic stress factors such as drought, salinity, and extreme temperatures pose a great threat to the growth and productivity of plants and are responsible for substantial crop losses globally. Photosynthesis is one of the physiological processes greatly affected by these stress conditions. Primarily sites of photosynthesis, chloroplasts are also involved in many crucial metabolic pathways such as those for the production of purines, carotenoids, lipids, and amino acids, and the assimilation of nitrogen and sulfur. Additionally, key steps in producing the growth regulator auxin and other hormones also occur in the chloroplast. These and other substances are exported from the chloroplast to the rest of the cell. Therefore, optimal chloroplast functioning under stress vitally depends on the orchestrated regulation of a variety of transport systems located at chloroplast envelopes. Here we investigated the link between photosynthesis and auxin homeostasis. We show evidence of an auxin biosynthesis pathway in Arabidopsis thaliana chloroplast. Moreover, we report that the ATP-binding cassette (ABC) subfamily B transporters, ABCB28 and ABCB29, localized at the chloroplast inner and outer envelope membrane, respectively, act as auxin efflux transporters. This finding represents the first chloroplast auxin transport system discovered so far. Overexpression of ABCB28 and ABCB29 in Arabidopsis increased stomatal closure under salt and drought stresses, which leads to significantly improved water usage efficiency and survival. The results suggest that chloroplast auxin production contributes importantly to stomata closure for conserving water during osmotic stress. ABCB28 and ABCB29 are thus crucial to integrating photosynthesis and auxin signals. As such, they hold great potential for improving crop adaptation to environmental cues.

Keywords

Auxinu, chloroplastu, Fotosyntéza, průduchů, osmotického stresu, transportní systém auxinu Auxin, chloroplast, photosynthesis, stomata, osmotic stress tolerance, auxin transport

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 11. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 19. 11. 2020
• Supervisor: Ph.D. Vanesa Beatriz Tognetti
• Reader: Ph.D. Helene Robert Boisivon, Francisco Javier Cejudo Fernández, Dr.

Masaryk University

Faculty of Science

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