The Role of Cytokinin-Mediated Control Over Ethylene Biosynthesis in The Plant Root Growth

Amel Yamoune, M.Sc.

Doctoral thesis

Abstract:

Interakce cytokininů a etylénu byly popsán jak na úrovni biosyntézy, tak na úrovni signalizace a společně hrají důležitou roli v řadě hormonálních regulacích během růstu rostlin. Dříve bylo prokázáno, že cytokininy indukují produkci etylénu prostřednictvím stabilizace proteinů ACC SYNTHASE (ACS), což vedlo ke zkrácení kořene a hypokotylu u etiolovaných semenáčků. V naší studii hodláme objasnit molekulární mechanismy a tkáňovou specificitu biosyntézy etylénu indukované cytokininy a její vývojové důsledky. Práce ukazuje, že cytokininy působí prostorově specifickým způsobem na zvýšení biosyntézy 1-aminocyklopropan-1-karboxylové kyseliny (ACC), který je klíčovým prekurzorem etylénové biosyntézy vedoucího ke zkrácení kořene. Práce dále odhalila jednotlivé členy rodin ACS a ACO, kteří jsou uregulováni exogenním cytokininem ve specifických místech v celém kořenu. Exogenní cytokinin indukuje několik genů ACS v prodlužovací a tranzientní zóně kořene. Dále jsme ukázali, že cytokininy prostřednictvím aktivace ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 1 (ARR1), cytokinin-responzivního TF působícího v signální dráze vícekrokovém přenosu fosfátu (MSP), upregulují expresi ACO3 v kořenových cévách a stéle. Navíc jsme prokázali, že ARR2, další člen MSP dráhy, fyzicky interaguje s C-koncovou částí ETHYLEN INSENSITIVE 2 (EIN2-C) in vivo. Jak ARR2, tak EIN2-C jsou potřebné pro indukci exprese ACO4 specificky v periferních tkáních kořenové tranzientní zóny. Pomocí přímých měření akumulace etylénu jsme dokázali, že cytokininy upregulují produkci etylénu v kořeni Arabidopsis prostřednictvím ACO2, ACO3 a ACO4. V souladu s tím demonstrujeme funkční význam několika ACS a ACO pro cytokininem indukovaný kořenový meristém a zkrácení kořene.

Abstract:

Cytokinin/ethylene crosstalk has been described, at both biosynthesis and signaling levels, to play an important role in the multifaceted hormonal regulations of plants’ growth. Previously, cytokinins were demonstrated to induce ethylene production via the stabilization of ACC SYNTHASE (ACS) proteins which leads to reduced root and hypocotyl elongation in etiolated seedlings. This study intends to elucidate cytokinin-induced ethylene biosynthesis’ molecular mechanisms and the tissue specificity of its developmental consequences. Here we demonstrate that cytokinins act in a spatial-specific way to enhance the biosynthesis of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC), the rate-limiting ethylene precursor leading to the root shortening. We identify members of ACS and ACO families, being upregulated by exogenous cytokinin in specific patterns throughout the root. Exogenous cytokinin induced several ACSs genes in the root elongation and transition zone. We further show that cytokinins, through the activation of the ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 1 (ARR1), a cytokinin-responsive TF acting in the multistep phosphorelay (MSP) signaling pathway, upregulate ACO3 expression in the root vasculature and stele. Moreover, we demonstrate that ARR2, another member of the MSP pathway, physically interacts with the C-terminal portion of ETHYLENE INSENSITIVE 2 (EIN2-C) in vivo. Both ARR2 and EIN2-C are needed for the induction of the ACO4 expression specifically in the peripheral tissues of the root transition zone. Using direct measurements of ethylene accumulation, we prove that cytokinins upregulate ethylene production in the Arabidopsis root through ACO2, ACO3, and ACO4. In line with that, we demonstrate the functional importance of several ACSs and ACOs for cytokinin-induced RAM and root shortening.

Keywords

Arabidopsis thaliana, cytokinins, crosstalk, ethylene, ethylene biosynthesis, ACC SYNTHASE, ACC OXIDASE, ACC, MSP, plant hormones, root, root growth, RAM, signaling pathway

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 8. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 30. 8. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Hejátko, Ph.D.
• Reader: prof. Kris Vissengerg, Mgr. Matyáš Fendrych, Ph.D., prof. G. Eric Schaller

Masaryk University

Faculty of Science

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