Mechanistic insights into auxin canalization and tissue polarization in Arabidopsis

Mgr. Nikola Rýdza, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Auxin je rostlinný hormon, který působí jako klíčový regulátor růstu a vývoje rostlin. Různé vývojové procesy, jako je tvorba žilnatiny v listu, flexibilní regenerace cévních svazků, nebo iniciace a tvorba laterálních kořenů, jsou pod kontrolou asymetrické distribuce auxinu v pletivech a jeho dynamického, směrovaného transportu z buňky do buňky, který je zprostředkován auxinovými přenášeči – PIN proteiny. Transport auxinu, závislý na PIN proteinech, může být regulován auxinem samotným, a taková zpětná vazba je hlavním předpokladem tzv. auxinové kanalizační hypotézy, kde auxin podněcuje koordinovanou polarizaci svých přenášečů od zdroje auxinu. Nejvíce studovaným mechanizmem, který kontroluje vývoj na bázi kanalizace, závisí na jaderné TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF auxinové signální dráze, která vede k auxinem zprostředkovanému transkripčnímu přeprogramování mnoha genů. Nicméně, některé buněčné akce vyvolané auxinem, které také závisí na TIR1/AFB receptorech, jsou však příliš rychlé na to, aby zahrnovaly transkripční změny. To ukazuje, že auxinová signalizace, prostřednictvím dosud neznámé signální větve, může také spustit důležitý, rychlý netranskripční mechanismus. Tato disertační práce vychází ze souboru publikací zaměřených na odhalení a charakterizaci nových složek transkripčních i netranskripčních auxinových signalizačních mechanismů. Speciálně navržený mikročipový experiment a fosfo-proteomická metoda identifikovaly TOW protein, CAMEL-CANAR buněčný povrchový receptorový komplex, působící „downstream“ od TIR1/AFB-WRKY23 auxinové signální dráhy, a proteiny komplexu Myosin XI, aktivované rychlou, auxinem zprostředkovanou reakci fosforylací proteinů. Všechny výše uvedené hrají klíčovou roli ve vývojových procesech zprostředkovaných kanalizací. V další charakterizaci bylo vyhodnoceno, že potenciální auxinový receptor ABP1 spolu s jeho interagujícími kinázami, TMK jsou vyžadovány v rychlých, auxinem zprostředkovaných fosfo-odpovědích, včetně fosforylace zmíněného proteinového komplexu Myosin XI. Roli výše uvedených proteinů a jejich partnerů v kanalizací zprostředkovaných vývojových procesech potvrdila studie regenerace po „wounding“, kterou provedl autor této práce jako hlavní příspěvek v těchto publikacích. Dále jsme identifikovali a podrobně charakterizovali kandidátní gen OBE3, jako součást souboru nově identifikovaných genů, důležitých pro vývoj laterálních kořenů zprostředkovaný auxinem. Tato práce tedy významně přispěla k identifikaci a charakterizaci složek auxinem zprostředkovaného vývoje.

Abstract:

Auxin is a plant hormone that acts as a key regulator in plant growth and development. A variety of developmental processes, such as patterning during leaf venation, flexible vasculature regeneration, or lateral root initiation and formation are under the control of asymmetric auxin distribution within tissues and its dynamic, directional cell-to-cell transport mediated by auxin efflux facilitators – PIN proteins. PIN-dependent auxin transport can be regulated by auxin itself and such feedback is the main dogma of the so-called auxin canalization hypothesis, where auxin promotes the coordinated polarization of its transporting channels from the auxin source. The most studied mechanism that controls the canalization-based development, depends on the nuclear TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF signaling pathway, which leads to auxin-mediated transcriptional reprogramming of many genes. However, some auxin-induced cellular actions, which also depend on the TIR1/AFB receptors are too fast to involve the transcriptional changes. This indicates that auxin signaling, via so far unknown signaling branch, may also trigger an important, rapid non-transcriptional mechanism. This doctoral thesis is based on the collection of publications aimed to uncover and characterize novel components of both, transcriptional and non-transcriptional auxin signaling mechanisms. The specifically designed microarray experiment and the phospho-proteomics approach identified the TOW protein, CAMEL-CANAR cell-surface receptor complex acting downstream of the TIR1/AFB-WRKY23 auxin signaling pathway, and Myosin XI complex proteins activated by rapid auxin-mediated protein phosphorylation responses, all of those playing a crucial role in the canalization-mediated developmental processes. In further characterization, it was evaluated that potential auxin receptor ABP1 together with its interacting kinases, TMKs are required in the fast auxin-mediated phospho-responses, including the phosphorylation of the mentioned Myosin XI protein complex. The role of the above-mentioned proteins and their partners in the canalization-mediated developmental processes was confirmed by the regeneration study after wounding, which was performed by the author of this thesis, as the main contribution in these publications. Moreover, we identified and characterized in detail a candidate gene, OBE3 as a part of a collection of newly-identified genes important for the auxin-mediated lateral root development. Thus, this work contributed significantly to identifying and characterizing components of auxin-mediated development.

Keywords

Auxin, Polar auxin transport, PIN proteins, Auxin canalization, TIR1/AFB auxin signaling, TMK-mediated auxin signaling, Vasculature regeneration

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 1. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 17. 2. 2022
• Vedoucí: Mgr. Jiří Friml, Dr. rer. nat.
• Oponent: doc. Michael Wrzaczek, MSc., Ph.D., doc. Mgr. Jan Zouhar, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Genomika a proteomika / Genomika a proteomika