Deciphering the Role of Strigolactone Hormone in Plant Developmental Processes

Tarakaramji Moturu, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Strigolaktony (SLs) jsou třídou rostlinných hormonů, která reguluje mnohé růstové aktivity rostlin. Mají zásadní efekt na různé aspekty růstu rostlin jako jsou např. větvení výhonků, vývoj listů, architektura kořene, odolnost vůči stresu, apod. Bylo vynaloženo obrovské úsilí za účelem porozumění a charakterizace molekulárních mechanismů, týkajících se rostlinných aktivit, zprostředkovaných SL hormony. Současné studie pouze částečně popisují molekuly, hrající roli v SL aktivitách rostlin. Vzhledem k důležitosti SLs v rostlinných vědách je klíčové prozkoumat a popsat SLs lépe a podrobněji. Cílem disertační práce je postihnout tři různé aspekty biologie strigolakonů. V první části práce využíváme evoluční přístup k pochopení funkční specifity SL-KL kaskády. Ukázali jsme, že SL signální represory SMXL proteinové rodiny mohou být rozděleny do čtyř různých tříd vyvinutých z původních SMAX1. Z těchto tříd jsou jen dvě třídy/kmeny SMXLs zapojeny do SL a KL signalizace a ostatní dva kmeny ještě nejsou charakterizovány. Druhá část je zaměřena na divergenci a evoluci menších proteinů, zapojených do biologické kaskády spojené s miRNA biogenezí. Prostřednictvím našeho širokoškálového screeningu bylo zjištěno, že TOUGH (TGH) a miRNAs jsou důležité pro SL signalizaci. Dále byla provedena podrobná studie divergence a evoluce těchto proteinů za účelem rozšíření současných znalostí vztahu mezi strukturou a funkcí těchto proteinů. Studie také ukázala dosud neznámá rezidua, klíčová pro další charakterizaci včetně konzervace a expanze těchto miRNA v rostlinných druzích. Ve třetí části jsme se zaměřili na roli SLs v rámci regulace fotosyntézy, konkréně na zvýšení tolerance vzhledem ke světelnému stresu. Metaanalýza, zahrnující další hormony, ukázala specifickou regulaci potosyntetických genů strigolaktony. Externí aplikace racGR24 (syntetického strigolaktonu) výrazně zlepšila rychlost fotosyntézy, a tak zlepšila toleranci vůči vysokému světelnému stresu. Tato studie byla dále podpořena prostřednictvím transkripce množství ROS enzymů. Tyto tři studie otevřely novou oblast biologie strigolaktonů pro další výzkum a pro studium jejich role v rámci zlepšení produktivity a úrody.

Abstract:

Strigolactones (SLs)a class of plant hormones regulating various developmental events in plants. They have fundamental effects on various aspects of plant development such as shoot branching, leaf development, root architecture, stress tolerance etc. Enormous efforts have been made to understand and characterize the molecular mechanism behind SL mediated events in plants. Recent studies partially characterized molecular players involved in SL mode of actions in plants. Considering the importance of SLs in plant science, it is crucial to explore and characterize them with high efficiency. The aim of the thesis covers three different aspects of strigolactone biology. In the first part, we took an evolutionary approach to understand the functional specificity for SL-KL pathways. We showed that the SL signalling repressor SMXL family can be classified into four distinct classes evolving from ancient SMAX1. Of them, only two classes/clades of SMXLs are known to be involved in SL and KL signalling respectively and the other two clades are yet to be characterized. The second part is focused on divergence and evolution of accessory proteins involved in the miRNA biogenesis pathway. We found, TOUGH (TGH) and miRNAs are important for SL signalling through our large-scale screening. Moreover, a detailed report on divergence and evolution of these accessory proteins were done to enhance the current understanding of the structure-function relationship of these proteins. It also revealed the unexplored crucial residues for further functional characterization including the conservation and expansion of these miRNAs in plant lineages. In the third part, we focused on the role of SLs in regulating the photosynthesis machinery to enhance tolerance to high light stress. Meta-analysis comprised of other hormones showed specific regulation of photosynthesis genes by strigolactone. External application of racGR24 (synthetic strigolactone) significantly improved the rate of photosynthesis, thus improving the tolerance against high light stress. This study was further backed by the transcriptional abundance of the ROS enzymes. These three studies have opened a new arena of strigolactone biology for further research and for exploration of their potential role in crop improvement and productivity.

Keywords

Plants, genomics, evolution, strigolactones, miRNAs, TOUGH, SMXL, repressors

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 9. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 3. 11. 2020
• Supervisor: Ph.D. Sibu Simon
• Reader: doc. RNDr. Jan Hejátko, Ph.D., dr. Katarzyna Retzer, dr. Alaguraj Veluchamy

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Bio-omics