Implicación de los genes de la familia RAV en el desarrollo floral

Abstract

La floración es probablemente el proceso más importante en el desarrollo de la planta, ya que la perpetuación de las especies vegetales depende de ella. En Arabidopsis thaliana, la inducción floral está controlada por varias rutas genéticas que responden a estímulos ambientales y endógenos. En nuestro laboratorio se han identificado los genes TEMPRANILLO (TEM) como represores de la floración tanto en condiciones inductivas de día largo (LD, 16 horas de luz) como no inductivas de día corto (SD, 8 horas de luz). Las proteínas TEM pertenecen a una familia de factores de transcripción llamada RAV, que se caracterizan por contener dos dominios de unión al DNA, que son los dominios APETALA2 (AP2) y B3. En Arabidopsis esta familia está compuesta por 6 genes. En LD, la ruta del fotoperiodo induce la floración principalmente a través de la activación del gen FLOWERING LOCUS T (FT), mientras que en SD la floración depende principalmente de la acumulación de giberelinas (GAs). TEM1 y TEM2 retrasan la floración en ambas condiciones al reprimir directamente la expresión de los genes FT, GA3OXIDASE 1 (GA3OX1) y GA3OX2, siendo los dos últimos genes responsables de la biosíntesis de la GA bioactiva GA4. Por tanto, TEM1 y TEM2 controlan el tiempo de floración a través de al menos dos de las rutas genéticas que controlan la inducción floral: la del fotoperíodo (Castillejo & Pelaz, 2008) y la de las GAs (Osnato et al, 2012). El objetivo de este trabajo ha sido profundizar en el papel de los genes TEM en otras rutas genéticas implicadas en el control de la floración y en otros procesos de desarrollo en Arabidopsis thaliana. Existe una ruta genética que responde a la edad de la planta y que evita que ésta florezca en su etapa juvenil. Primero se produce la transición de la etapa vegetativa juvenil a la adulta y después la inducción floral. Los microRNAs miR156 y miR172 están implicados en la regulación de estas transiciones entre las fases del desarrollo de la planta (Huijser & Schmid, 2011). miR156 mantiene la fase juvenil y retrasa la transición floral (Wu & Poeting, 2006; Wu et al, 2009), mientras que los genes diana de miR156 SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE (SPL) y miR172 promueven la transición a la fase adulta y la inducción floral. Nuestros resultados muestran que los genes TEM están involucrados en varias etapas de la ruta de la edad, ya que regulan positivamente a miR156 y negativamente a varios genes SPL y miR172, retrasando así la floración. Por tanto, los genes TEM desempeñan un papel clave en la respuesta a la edad de la planta (Capítulo 1; Aguilar-Jaramillo et al., manuscrito en preparación). Por otro lado, cuando las plantas crecen en LD a bajas temperaturas ambientales de 16ºC, la floración se retrasa respecto a 22°C. Nuestros resultados muestran que los genes TEM actúan como represores de FT y TWIN SISTER OF FT (TSF) a 16°C. Un gen que juega un papel clave en la respuesta a las bajas temperaturas ambientales es SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP), cuyos mutantes son insensibles a los cambios de temperatura y florecen pronto tanto a temperaturas cálidas como frescas. Hemos descubierto que SVP regula positivamente la expresión de TEM2 a 16ºC en condiciones de LD y controla la floración a través de TEM2, pero también de manera independiente mediante la represión directa de FT a bajas temperaturas ambientales (Capítulo 2; Marín-González et al, 2015). Además, hemos descubierto la participación de TEM en otro proceso del desarrollo, la iniciación de los tricomas. Los tricomas son protrusiones epidérmicas que protegen a la planta de la pérdida de agua, de insectos y de las radiaciones ultravioletas. Hemos descubierto que los genes TEM controlan la iniciación de los tricomas mediante la represión directa de los genes epidérmicos que promueven su iniciación y, lo que es más interesante, a través del control de la acumulación y distribución de las GAs en el mesófilo. Esta función de los genes TEM desvela el papel clave de una capa celular, el mesófilo, en la diferenciación celular de los tricomas en la capa exterior adyacente, la epidermis (Capítulo 3; Matías-Hernández et al, 2016).

Flowering is probably the most important process in plant development since the perpetuation of the species depends on it. In Arabidopsis thaliana, floral induction is controlled by several genetic pathways that respond to environmental and endogenous stimuli. In our laboratory we have identified the TEMPRANILLO (TEM) genes as flowering repressors under both inductive long-day (LD, 16 hours of light) and noninductive short-day (SD, 8 hours of light) conditions. The TEM proteins belong to a family of transcription factors called RAV, characterized by the presence of two DNA binding domains, the APETALA2 (AP2) and B3 domains. In Arabidopsis this family is composed of 6 genes. Under LD the photoperiod pathway induces flowering mainly through activation of FLOWERING LOCUS T (FT), while under SD flowering depends mainly on the accumulation of gibberellins (GAs). TEM1 and TEM2 delay flowering under both conditions by directly repressing the expression of the FT, GA 3-OXIDASE 1 (GA3OX1) and GA3OX2 genes, the latter two genes being responsible for the biosynthesis of bioactive GA4. Therefore, TEM1 and TEM2 control flowering time through at least two of the genetic pathways that control floral induction: the photoperiod (Castillejo & Pelaz, 2008) and the GA pathway (Osnato et al, 2012). In this PhD thesis we aimed to deepen the role of TEM genes in other genetic pathways controlling flowering and other developmental processes in Arabidopsis thaliana. There is a genetic pathway that responds to the age of the plant and prevents flowering at the juvenile phase. First there is a transition from the juvenile to the adult vegetative stage and then floral induction occurs. The microRNAs miR156 and miR172 are involved in the regulation of these phase transitions of plant development (Huijser & Schmid, 2011). MiR156 maintains the juvenile phase and delays the floral transition (Wu & Poeting, 2006; Wu et al, 2009), while miR156-target SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE (SPL) genes and miR172 promote the transition to adulthood and floral induction. Our results show that TEM genes are involved in regulating various stages of the age-dependent pathway as they positively regulate miR156 and negatively regulate several SPL genes and miR172, thus delaying flowering. Therefore, TEM genes play a key role in responding to the age of the plant (Chapter 1, Aguilar-Jaramillo et al., manuscript in preparation). On the other hand, when Arabidopsis plants grow under LD at low ambient temperatures of 16°C, flowering is delayed relative to 22°C. Our results show that TEM genes act as repressors of FT and TWIN SISTER OF FT (TSF) at 16°C. A gene that plays a key role in the response to low ambient temperatures is SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP). svp mutants are insensitive to temperature changes and flower early both under warm and cool temperatures. We have found that SVP positively regulates TEM2 expression at 16 °C under LD conditions, controlling flowering through TEM2 but also independently of TEM2 by directly repressing FT at low temperatures (Chapter 2; Marín-González et al, 2015). In addition, we have discovered the involvement of TEM in another developmental process, the initiation of trichomes. Trichomes are epidermal protrusions that protect the plant from water loss, insects and ultraviolet radiation. We show that TEM genes control the initiation of trichomes by directly repressing the epidermal genes that promote trichome initiation and, more interestingly, by controlling the accumulation and distribution of GAs in the mesophyll. This function of TEM genes reveals a key role of a cell layer, the mesophyll, in trichome differentiation in the outer adjacent cell layer, the epidermis (Chapter 3; Matías-Hernández et al, 2016).