Gen DIRIGENT13 při kontrole růstu rostlin a tolerance vůči stresu

Alesia Melnikava, M.Sc.

Doctoral thesis

DIRIGENT13 Gene in the Control of Plant Growth and Stress Tolerance

Abstract:

Dirigent (DIR) proteiny zprostředkovávají regio- a stereoselektivní vazbu fenoxylových radikálů během biosyntézy (neo)lignanů a/nebo ligninu. Jejich role v regulaci vývoje rostlin a reakci na environmentální stres ovšem zůstává nepochopena. V této práci zkoumáme funkci cytokininem regulovaného genu DIRIGENT13 (DIR13) u Arabidopsis thaliana. Zjistili jsme, že DIR13 je lokalizován do endodermis hlavního kořene a na okrajích primordií i nově vytvořených laterálních kořenů. DIR13 není nezbytný pro tvorbu Caspariho proužku, podporuje však růst hlavního kořene i jeho větvení. Necílená metabolomická analýza a zobrazování pomocí hmotnostní spektrometrie odhalily, že DIR13 usnadňuje syntézu (neo)lignanů v primárních i laterálních kořenech. Zajímavé bylo naše zjištění, že DIR13 aktivuje produkci oxomatairesinolu a matairesinolcysteinu, domnělých oxidačních derivátů lignanu matairesinolu. Naše zjištění dále ukazují, že DIR13 zvyšuje odolnost rostlin vůči zasolení a suchu. DIR13 zejména tlumí inhibici klíčení a růstu kořenů vyvolanou solným stresem. Dále aktivuje akumulaci reaktivních forem kyslíku (ROS) a to jak za standardních podmínek, tak v přítomnosti stresu zasolením. Cytokininy dále zvyšují produkci ROS vyvolanou solným stresem a to specificky v liniích s nadprodukcí DIR13. Naše výsledky poukazují na roli lignanů produkovaných DIR13 v regulaci akumulace ROS, zvýšení odolnosti vůči abiotickému stresu a regulaci architektury kořenů. Celkově naše zjištění demonstrují souvislost mezi cytokininovou signalizací, akumulací (neo)lignanů a aklimatizací rostlin k stresu prostřednictvím regulace exprese DIR13.

Abstract:

Dirigent (DIR) proteins mediate regio- and stereoselectivity of phenoxy radical coupling of monolignols for (neo)lignan and/or lignin biosynthesis. However, their involvement in plant development and response to environmental stresses remains poorly understood. In the current work, we investigate the function of the cytokinin-responsive DIRIGENT13 (DIR13) in Arabidopsis thaliana. We found that DIR13 is localized to the root endodermis of the main root and at the margins of lateral root primordia and lateral roots. Although not essential for Casparian strip (CS) formation, DIR13 promotes both main and lateral root growth. Untargeted metabolomics and imaging mass spectrometry analyses revealed that DIR13 facilitates (neo)lignan synthesis in primary and lateral roots. Interestingly, DIR13 activates the production of putative oxomatairesinol and matairesinol-cysteine, oxidative derivatives of the lignan matairesinol. Furthermore, our data show that DIR13 enhances salt and drought tolerance. Particularly, DIR13 attenuates salt stress-mediated inhibition of germination and root growth. Moreover, it activates reactive oxygen species (ROS) accumulation under both control and salt stress conditions. Cytokinins further enhance salt-induced ROS production specifically in DIR13 overexpressing lines. Our results highlight the role of DIR13-produced lignans in regulating ROS accumulation, mediating abiotic stress tolerance, and controlling root architecture. Overall, our findings demonstrate a correlation between cytokinin signaling, (neo)lignans accumulation, and plant stress acclimation through the regulation of DIR13 expression.

Keywords

dirigent, DIR13, lignan, reaktivní kyslíkové druhy, cytokininy, odpověď na stres, sůl, kořenová architektura, Arabidopsis, ROS, cytokinins, stress response, salt, root architecture

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 6. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 26. 6. 2024
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Hejátko, Ph.D.
• Reader: Ph.D. Helene Robert Boisivon, doc. Michael Alois Wrzaczek, PhD., Nora Gigli Bisceglia, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Life Sciences