Analysis of the Molecular Mechanisms of Cytokinin and Auxin Interactions in Plant Organogenesis

Mgr. Markéta Pernisová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

U rostlin představuje postembryonální organogeneze de novo důležitou vývojovou adaptaci. Auxiny a cytokininy byly identifikovány jako hlavní rostlinné regulátory organogenní odpovědi. Nicméně molekulární mechanizmy interakcí auxinů a cytokininů v regulaci organogeneze jsou pořád málo známé. Ke studiu těchto interakcí jsme použili in vitro systém založený na hypokotylových explantátech. V této práci jsme ukázali, že auxin je schopný indukovat organogenní odpověď v hypokotylových explantátech, zatímco cytokinin moduluje auxinem indukovanou organogenní odpověď prostřednictvím regulace mezibuněčné distribuce auxinu, detekované pomocí reportéru DR5:GFP. Zjistili jsme, že organogeneze de novo je spojena s tvorbou endogenních cytokininů a aktivací cytokininové signální dráhy ve specifických pletivech, což bylo zdokumentováno pomocí exprese reportéru ProARR5:GUS, měřením hladiny endogenních cytokininů a kvantifikací exprese vybraných ARR genů typu A (genů primární cytokininové odpovědi). Zjistili jsme také, že cytokininy v BY-2 tabákových suspenzních kulturách blokují export auxinu z buněk a regulují expresi auxinových vynašečů z rodiny PIN. Vliv cytokininu na modulaci organogeneze může být také částečně napodoben inhibitorem auxinového transportu – NPA. Nakonec jsme zjistili, že v kořenech Arabidopsis je hladina endogenních cytokininů nezbytná pro udržení správné mezibuněčné distribuce auxinu prostřednictvím regulace genové exprese auxinových vynašečů PIN2 a PIN4. Na základě těchto výsledků jsme navrhli model, kde auxin funguje jako spouštěč organogeneze a výsledný proces je modulovaný endogenně produkovanými cytokininy prostřednictvím regulace exprese auxinových vynašečů.

Abstract:

Postembryonic de novo organogenesis represents an important developmental adaptation that evolved in plants. Cytokinins (CKs) and auxins were shown to be the principal regulators of organogenic response in plants. However, the molecular mechanisms of the auxin/CKs interaction in a regulation of plant organogenesis are still largely unknown. We employed the hypocotyl explants-based in vitro system to study the mechanism underlying the regulations mediated by cytokinins and auxin during de novo organogenesis. Here we show that auxin is able to induce organogenic response in hypocotyl explants, while CK modulates the auxin-induced organogenesis via regulation of intercellular auxin distribution as visualised by DR5:GFP reporter. De novo organogenesis is accompanied with production of endogenous CKs and tissue-specific activation of CK signalling, documented by ProARR5:GUS expression, measurements of endogenous CKs levels and quantification of expression of several type-A ARRs, the CK primary response genes. We have found that CKs reduce auxin efflux from cultured BY-2 tobacco cells and regulate the expression of auxin efflux carriers from the PIN family. Accordingly, the CK-mediated modulation of organogenesis could be partially simulated by the polar auxin transport inhibitor NPA. Finally, we show that endogenous CKs are necessary to maintain proper auxin distribution in Arabidopsis roots via regulation of expression of genes for auxin efflux carriers PIN2 and PIN4. Based on the findings we propose a model, in which auxin acts as a trigger of the organogenic processes, whose output is modulated by the endogenously produced CKs via regulation of expression of auxin efflux carriers.

Keywords

auxin/cytokinin interakce, organogeneze de novo, transport auxinu, vynašeč auxinu, PIN, Huseníček rolní auxin/cytokinin crosstalk, de novo organogenesis, auxin transport, auxin efflux carriers, Arabidopsis thaliana

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 12. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 10. 2. 2010
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Hejátko, Ph.D.
• Reader: RNDr. Jan Petrásek, Ph.D., prof. RNDr. Ivo Frébort, CSc., Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Molecular and Cellular Biology