Identification and characterization of new components involved in auxin dependent intracellular trafficking

Adria Sans Sánchez, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Rostlinné hormony dlouhodobě přitahují zájem výzkumníků. Klíčovou roli při regulaci nezbytných procesů v rostlinách hraje hormon auxin. Tato práce se zabývá významnou sbírkou mutantů vykazujících změny v organogenezi laterálních kořenů, odhaluje složitou souhru mezi auxinem, PIN proteiny, BEN, BEX proteiny a ALA3, a osvětluje jejich hluboké účinky na různé aspekty rostlinné biologie. Práce poskytuje komplexní analýzu vlivu nejen auxinu, ale I proteinů přímo a nepřímo zapojených do těchto procesů. V dynamickém světě rostlinné biologie je auxin ústředním narativním vláknem ovlivňujícím polární transport zprostředkovaný PIN proteiny, regulaci endocytózy a vývoj laterálních kořenů, který ukotvuje rostliny v půdě a formuje jejich růstové vzorce. Práce je obecně zaměřena na vývoj laterálních kořenů, zahrnující přibližně 300 mutantů s defekty tvorby laterálních kořenů, a na ALA3, kritický translokátor aminofosfolipidů ovlivňující složení membránových lipidů, buněčnou dynamiku a homeostázu rostlinných buněk. Tato sbírka mutantů bude zpřístupněna vědecké komunitě. Kolekce mutantů LAVA, obsahující mutanty s narušenou auxinem indukovanou organogenezí kořene, slouží jako cenný zdroj pro odhalení složitosti dynamiky laterálních kořenů a faktorů ovlivňujících růst rostlin. Pokročilé techniky, jako je prosvětlování kořenů Arabidopsis thaliana a mikroskopie, zlepšují studium kořenové délky, primárního gravitropismu, vaskulárního vývoje listů a souvisejících jevů, a poskytují komplexní hodnocení mutantů pro budoucí výzkum. Druhý hlavní výzkumný záměr zkoumá vývojové procesy rostlin a adaptaci na stres prostřednictvím analýzy ALA3, mechanism nitrobuněčného transportu řízených BEX1 a BEN1, a nezveřejněných zjištění týkajících se proteinů PIN. Dynamické chování proteinů jako PIN1 a ARF1 je objasněno pomocí technik, jako jsou imunocytochemie a obnovení fluorescence po fotovybělení (FRAP). Tento výzkum přesahuje zdi laboratoře a nabízí cenné poznatky o růstu, vývoji a citlivosti rostlin na vnější podněty. Pokládá základ pro potenciální pokrok v zemědělství, zvyšuje produktivitu plodin a odolnost vůči environmentálním výzvám. Stručně řečeno, tato práce se noří do tajemné oblasti auxinu, PIN proteinů, ALA3 a organogeneze laterálních kořenů, a odhaluje základní procesy, které ovlivňují existenci rostlin od buněčné biologie po dynamiku ekosystémů

Abstract:

Plant hormones have long captivated researchers, and among them, auxin plays a pivotal role in orchestrating essential processes in plants. This thesis delves into a significant collection of mutants exhibiting variations in lateral root (LR) organogenesis, unraveling the intricate interplay between auxin, PIN-FORMED (PINs), BEN, BEX proteins, and Aminophospholipid ATPase 3 (ALA3), shedding light on their profound effects on various aspects of plant biology. This work provides a comprehensive analysis of auxin influence alongside proteins directly and indirectly involved in these processes. Within the dynamic world of plant biology, auxin stands as a central narrative thread, influencing polar transport mediated by PIN proteins, endocytosis regulation, and LR development, which anchors plants in the soil and shapes their growth patterns. The central focus here revolves around LR root development, involving approximately 300 mutants with LR formation defects named as LAVA mutants collection and ALA3, a critical Aminophospholipid Translocator affecting membrane lipid composition, cellular dynamics, and plant cell homeostasis. This mutant collection will be made accessible to the scientific community. The LAVA mutant collection, comprising mutants with perturbed auxin-induced root organogenesis, serves as a valuable resource for unraveling the complexities of LR dynamics and factors influencing plant growth. Advanced techniques such as Arabidopsis thaliana root clearance and microscopy enhance the study of root length, Primary root (PR) gravitropism, leaf vascular development, and related phenomena, providing a comprehensive assessment of mutants for future research. The second main research endeavor explores plant developmental processes and stress adaptation through the examination of ALA3, subcellular trafficking mechanisms controlled by BEX1 and BEN1, and undisclosed findings regarding PIN proteins. The dynamic behavior of proteins like PIN1 and ARF1 is elucidated using techniques such as immunocytochemistry and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). This research transcends the laboratory, offering valuable insights into plant growth, development, and sensitivity to external stimuli. It lays the foundation for potential advancements in agriculture, enhancing crop productivity and resistance against environmental challenges. In summary, this thesis delves into the enigmatic realm of auxin, PIN proteins, ALA3, and LR organogenesis, revealing fundamental processes that influence plant existence from cellular biology to ecosystem dynamics.

Keywords

Arabidopsis thaliana, ARF, endocytóza, flippasa, přenos proteinů, sekrece, FRAP, EMS, mutantní screeining, Agrobacterium tumefaciens, laterální kořen, GNOM, endocytosis, flippase, protein trafficking, secretion, mutant screeining, Lateral root

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 9. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 26. 10. 2023
• Supervisor: B.A. Marta Zwiewka, M.Sc.
• Reader: Ph.D. Ewa Mazur, M.Sc., Dr. Katarzyna Retzer

Masaryk University

Faculty of Science

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