Study of molecular mechanisms of CK-ethylene crosstalk in the regulation of Arabidopsis development

Abigail Rubiato Cuyacot, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Signální dráhy rostlin využívají během regulace vývoje komplexní síť k navození souhry fyziologických a biochemických odpovědí, jako jsou klíčení, kvetení, zrání plodů, fotosyntéza a apikální růst meristému. U Arabidopsis thaliana rostlinné hormony cytokinin a etylén ovlivňují zásadní fyziologické a vývojové procesy pomocí senzorů z rodiny histidinkináz (HK), nicméně následné signální dráhy mohou být rozdílné. V této dizertační práci představujeme vzájemné propojení signálních drah cytokininu a etylénu a vysvětlujeme molekulární mechanismy jejich interakce pro řízení vývojových stádií kořene. Tato práce ukázala, že etylén je integrován do dráhy vícestupňového přenosu signálu (multistep phosphorelay, MSP), kde etylén prostřednictvím aktivity histidinkinázy svého receptoru ETR1 přímo nebo ve spolupráci s jinou histidin kinázou (AHK5) řídí transfosforylační kaskádu zprostředkovanou AHP a jejich jaderně lokalizovanými cíli ARR, které řídí transkripci cílových genů MSP. Dále jsme ukázali, že jednotlivé elementy etylénové signální dráhy EIN2 a EIN3 hrají odlišné role v aktivaci MSP zprostředkované etylénem a že ETR1 a EIN3 jsou nezbytné pro aktivaci MSP pomocí etylénu v tak zvavé transientní zóně kořene. Naše data také naznačují, že EIN3 by mohlo interagovat s dalšími elementy cytokininové signální dráhy (např. s geny ARR typu A) a že by mohl existovat mechanismus regulující EIN3, který je nezávislý na EIN2 signální dráze a tak celkově by měli působit jako mediátoři v reakcích na cytokininové a etylénové signály zprostředkované EIN3 za účelem inhibice růstu kořene. Zjistili jsme, že etylén negativně reguluje velikost apikálního meristému kořene (RAM) indukcí diferenciace buněk v RAM prostřednictvím etylénové dráhy ale i dráhy MSP. Kromě toho jsme zjistili, že ARR3, který je jedním z nejvíce reagujících regulátorů odezvy na etylén, je regulován pomocí ETR1 a tak ovlivňuje velikost RAM. Také jsme ukázali biologickou roli AHK5 v signalizaci MSP zprostředkované etylénem a potvrdili jsme, že AHK5 je rozhodující pro bazální signalizaci MSP v laterální kořenové čepičce a kolumele, kde zprostředkovává aktivaci MSP indukovanou etylénem, ale ne cytokininem. Naše data navíc naznačují negativní roli AHK5 v procesech růstu kořenů regulovaných etylénem, jako je kontrola počtu vrstev buněk kolumely a oddělování tzv. buněk podobných hraničním buňkám (border-like cells), které jsou důležité pro ochranu kořenů před biotickým a abiotickým stresem. Tato práce odhaluje nové aspekty toho, jak rostliny vnímají etylén, a demonstruje překvapivé složitosti propojení mezi MSP a klasickými signálními dráhami.

Abstract:

In developing plants, the signaling pathways use a complex network of connections to coordinate physiological and biochemical responses such as germination, flowering, ripening of fruits, photosynthetic control and apical meristem growth. In Arabidopsis thaliana, the plant hormones cytokinin and ethylene influence critical elements of physiological and developmental processes through histidine kinase (HK) family sensors but the downstream signaling pathways are different. In this thesis, we present the cross-connection of the cytokinin and ethylene signaling pathways and explained the molecular mechanisms of the crosstalk to control root development. This work demonstrated that ethylene integrates into the multistep phosphorelay (MSP) pathway where ethylene via histidine kinase activity of its receptor ETR1, directly or in cooperation with another histidine kinase (AHK5), controls the transphosphorylation cascade mediated by AHPs and their nuclear targets ARRs which controls the transcription of the MSP target genes. We have further shown that the canonical ethylene signaling components EIN2 and EIN3 play distinct roles in the ethylene-mediated MSP activation, and that ETR1 and EIN3 are necessary for the ethylene-mediated MSP activation in the transition zone. Our data also suggests that EIN3 regulates the cytokinin downstream components (e.g. type A-ARRs) and that there could be an underlying mechanism regulating EIN3 apart from the EIN2-mediated ethylene signaling. We found that ethylene negatively regulates root apical meristem (RAM) size by inducing cell differentiation in the RAM via the canonical ethylene response pathway as well as the MSP pathway. Moreover we observed that ARR3, being one of the most ethylene responsive response regulators, is regulated by ETR1 to control RAM size. We also demonstrated the biological role of AHK5 in the ethylene mediated-MSP signaling and confirmed that AHK5 is critical for the basal MSP signaling in the LRC/columella which mediates ethylene-induced, but not cytokinin-induced, MSP activation. Our data additionally suggests a negative role of AHK5 in the ethylene-regulated root growth processes such as the control of the number of columella cell layers and border-like cells detachment which are important to the root protection from biotic and abiotic stresses. This work exposes novel aspects of how plants sense ethylene, demonstrating the surprising complexities of the crosstalk between the MSP and the ethylene classical signaling pathways that impact root growth.

Keywords

Huseníček rolní, cytokinin, etylén, vícekrokový přenos signálu, rostlinné hormony, kořen, růst kořene, signální dráha Arabidopsis thaliana, crosstalk, ethylene, MSP, plant hormones, root, root growth, signalling pathway

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 11. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 15. 12. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Hejátko, Ph.D.
• Reader: Prof. Eva Benková, Ph.D., RNDr. Radomíra Vaňková, CSc., Prof. Dominique Van der Straeten, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Life Sciences