The cellular and molecular mechanisms of polar auxin transport in Arabidopsis thaliana

Ing. Radka Zemová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Vývoj rostlin úzce závisí na vnitrobuněčném transportu a distribuci auxinu. Rostlinný hormon auxin (indol-3-octová kyselina) je transportován z buňky do buňky za spoluúčasti auxinových vnašečů [AUXIN-RESISTANT1 (AUX1)] a vynašečů [PIN-FORMED (PIN)], jejichž polární vnitrobuněčná lokalizace určuje směr auxinového toku. Značné úsilí bylo věnováno studiu mechanizmu polárního transportu auxinu, nicméně některé aspekty zůstavají pořád neprozkoumány. Během svého doktorského studia jsem se snažila objasnit některé z těchto neprozkoumaných aspektů polárního transportu auxinu v modelové rostlině Arabidopsis thaliana. Předkládaná práce je rozdělena do čtyř kapitol. Úvodní kapitola podává přehled současných znalostí o auxinu, jeho biosyntéze a degradaci, signální dráze a transportních proteinech, které jsou nezbytnou součástí polárního transportu auxinu. Každá z následujících kapitol zahrnuje využití přímé genetiky pro identifikaci molekulárních komponentů, sehrávající klíčovou roli v polárním transportu auxinu. V druhé kapitole byl použit inhibitor brefeldin A (BFA) k identifikaci exocytosis defective 1 (exo1) mutantní linie, prokazující zvýšenou vnitrobuněčnou akumulaci PIN1, jako odpověď k BFA. Třetí kapitola popisuje účinek nitroprusidu sodného (SNP), poskytovatele oxidu dusnatého (NO), který společně s auxinem má vliv na zvýšenou tvorbu laterálních kořenů u Arabidopsis. Dvě nejzajímavější mutantní linie, prokazující rezistenci k SNP, byly detailně popsány v této kapitole. V poslední kapitole, byly identifikovány auxin degradation (ade) mutantní linie, defektní pro auxinem regulovanou degradaci PIN2 a AUX1proteinů při dlouhodobém působení syntetického auxinu 2,4-dichlorofenoxyoctové kyseliny (2,4-D). Výsledky této disertační práce jsou přínosem při studiu a objasnění molekulárních drah, polární lokalizace a funkce membránových proteinů, důležitých v polárním transportu auxinu během vývoje rostlin.

Abstract:

The development of plant body depends on the intercellular transport and distribution of the plant signalling molecule, phytohormone auxin. Auxin (indole-3-acetic acid) is directionally transported from cell to cell by the action of specific auxin influx [AUXIN-RESISTANT1 (AUX1)] and efflux [PIN-FORMED (PIN)] transport regulators, whose polar, subcellular localizations are influencing the directionality of auxin transport. Auxin itself regulates its own transport by modulation of the expression and subcellular localization of these transporters. Considerable efforts have been put into the studies of polar auxin transport, however some aspects of this highly regulated process and the role of many molecular components involved in the regulation of PIN trafficking remain elusive. During my PhD study I have tried to elucidate some of these unexplored aspects of the polar auxin transport in the model plant Arabidopsis thaliana. My thesis is divided into four chapters. The first one gives an overview of the current knowledge of auxin biosynthesis and catabolism, auxin signalling pathways and the manner in which auxin transport is mediated by different types of transport proteins. Each of the following chapters describes an approach to identify the molecular components which play a crucial role in establishment of polar auxin transport through the use of different forward genetic screens. The first of these introduces a screen utilizing the trafficking inhibitor brefeldin A (BFA) to identify the candidate mutants showing a defect in the process of exocytosis. Specifically we searched for mutants which showed increased intracellular PIN1 accumulation in response to BFA, and this approach helped us to obtain the exocytosis defective 1 (exo1) mutant line. The next chapter describes a screen in which we used sodium nitroprusside (SNP) - an effective donor of nitric oxide (NO), which is known to promote lateral root formation in Arabidopsis. This screen was designed to study the interplay between NO and auxin. The two most interesting candidates showing resistance to SNP were characterised in detail. In the last screen we searched for the mutants with altered PIN protein turnover. We identified auxin degradation (ade) mutants defective in trafficking and degradation of PIN2 and AUX1 proteins after prolonged treatment with the synthetic auxin 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D). All together, the data presented in this PhD thesis bring new insights into PIN polar targeting that result in the establishment of polar auxin transport and its effectiveness during plant development and environmental responses.

Keywords

auxin, plasma membrane, membrane proteins, 2, 4-D, nitric oxide, brefeldin A

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 7. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 30. 8. 2016
• Supervisor: Mgr. Jiří Friml, Dr.
• Reader: RNDr. Jan Petrášek, Ph.D., Mgr. Vilém Reinöhl, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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