Integrative phenotyping approaches to unmask the Phyb-PIF4 pathway in Arabidopsis thaliana reproductive organs at high ambient temperatures

Shekoufeh Ebrahimi Naghani, MSc

Doctoral thesis

Abstract:

Zvyšující se okolní teplota významně ovlivňuje růst, vývoj a reprodukci rostlin. Odhalení mechanismů regulace teploty v rostlinách je velmi důležité, nejen pro lepší pochopení biologie rostlin, ale také pro pomoc šlechtitelům rostlin při zlepšování adaptace rostlin na tyto suboptimální podmínky. Reakce rostlin na termomorfogenezi byly primárně studovány v raných fázích vývoje rostlin a během doby kvetení, přičemž bylo odhaleno zapojení dráhy phyB-PIF4 v těchto procesech. Zatímco tyto fáze jsou dobře zdokumentovány, systematické hodnocení dalších vegetativních znaků dospělých rostlin a vývoje reprodukčních struktur chybí. Dále je zájem zjistit, zda dráha phyB-PIFs hraje roli při interpretaci teplotních signálů v těchto dalších vývojových kontextech. V této studii jsme si kladli za cíl prozkoumat termomorfogenetické reakce Arabidopsis thaliana v širším rozsahu vývojových fází, abychom posoudili, zda zapojení phyB-PIF4 zasahuje i do těchto fází. Screening teplotních reakcí rostlin divokého typu a několika mutantních linií dráhy phyB-PIFs v Arabidopsis jsme provedli pomocí kombinovaných a integrovaných fenotypizačních platforem pro kořen v půdě, výhonek, květenství a semena. Naše zjištění ukazují, že zapojení phyB-PIF4 při interpretaci teplotních signálů je rozšířené během celého vývoje rostlin, včetně procesů přímo spojených s reprodukcí. Mechanismy, které tato dráha využívá k řízení každé vývojové fáze, jsou však jedinečné v závislosti na vývojové fázi. Dále jsme identifikovali korelativní reakce na vysokou okolní teplotu mezi pletivy výhonku a kořene. Tato integrovaná a automatizovaná fenotypizace byla doplněna sledováním změn v úrovni transkriptů v reprodukčních orgánech. Transkriptomické profilování pestíků rostlin pěstovaných při vysoké okolní teplotě identifikovalo klíčové prvky, které mohou poskytnout vhled do molekulárních mechanismů stojících za teplotně indukovaným snížením fertilizační schopnosti. Mezi ně patří snížení metabolismu auxinu, zvýšení exprese genů zapojených do auxinového signalizování, dráhy miRNA156 a miRNA160 a atraktanty pylových láček.

Abstract:

The increasing ambient temperature significantly impacts plant growth, development, and reproduction. Uncovering the temperature-regulating mechanisms in plants is of high importance, not only for increasing our fundamental understanding of plant thermomorphogenesis, but also for its potential in applied science and for aiding plant breeders in improving plant thermoresilience. Thermomorphogenesis responses in plants have primarily been studied in the early stages of plant development and during flowering time, revealing the involvement of the phyB-PIF4 pathway in these processes. While these stages are well-documented, systematic evaluation of other adult vegetative traits and the development of reproductive structures is lacking. Additionally, there is interest in determining whether the phyB-PIFs pathway plays a role in interpreting temperature signals in these other developmental contexts. In this study, we aimed to investigate the thermomorphogenesis responses of Arabidopsis thaliana across a broader range of developmental stages to assess whether phyB-PIF4 involvement extends to each of these stages. We screened the temperature responses of the wild type and several PhyB-PIFs pathway mutant lines in Arabidopsis, utilizing combined and integrative phenotyping platforms for root in soil, shoot, inflorescence, and seed. Our findings demonstrate that phyB-PIF4 involvement in the interpretation of temperature signals is pervasive throughout plant development, including processes directly linked to reproduction. However, the mechanisms employed by this pathway to control each developmental stage are unique depending on the developmental phase. Furthermore, we identified correlative responses to high ambient temperature between shoot and root tissues. This integrative and automated phenotyping was complemented by monitoring the changes in transcript levels in reproductive organs. Transcriptomic profiling of the pistils from plants grown under high ambient temperature identified key elements that may provide insights into the molecular mechanisms behind temperature-induced reduced fertilization rates. These include downregulation of auxin metabolism, upregulation of genes involved in auxin signaling, miRNA156 and miRNA160 pathways, and pollen tube attractants. Collectively, these findings elucidate the nuanced role of the phyB-PIF4 pathway in mediating temperature responses across various developmental stages, highlighting its significant impact on reproductive success through specific transcriptomic changes in the female gametophyte under high ambient temperatures.

Keywords

Arabidopsis, Automatic Phenotyping, PIF4, pistils, phyB, pollen tube guidance, seeds, thermomorphogenesis

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 7. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 23. 7. 2024
• Supervisor: Ph.D. Helene Robert Boisivon
• Reader: doc. Mgr. Aleš Pečinka, Ph.D., doc. Mgr. Markéta Šámalová, Ph.D., Miguel Blazquez, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Life Sciences