Functional analyses of tissue and organ specificity at the core of the arabidopsis circadian clock

Abstract

El reloj circadiano es un mecanismo celular responsable de la generación de ritmos biológicos con un periodo de 24 horas. La importancia de la función del reloj circadiano es evidente en casi todos los organismos estudiados hasta la fecha, desde bacterias hasta los seres humanos. Dado que las plantas son organismos sésiles, la función circadiana es particularmente relevante para su correcta adaptación al medio y supervivencia. Entender cómo el sistema circadiano de la planta se organiza en el contexto de células, tejidos y órganos surge como una de las preguntas fundamentales para comprender la fisiología y el metabolismo de la planta. Sin embargo, un gran desafío para los estudios de biología vegetal es descifrar cómo los relojes circadianos individuales están interconectados para generar ritmos en toda la planta. En esta Tesis Doctoral, demostramos que el ápice del brote aéreo de la planta Arabidopsis thaliana está compuesto por un conjunto de relojes acoplados que sincronizan los ritmos circadianos en la raíz. Una serie de diversos protocolos desarrollados en este estudio reveló una disparidad de oscilaciones circadianas en hipocotilos, raíces y hojas diseccionadas que exhibían una reducida precisión circadiana. En contraste, los análisis del ápice aéreo de la planta demostraron ritmos altamente sincronizados y precisos. El uso de diferentes mutantes de reloj y líneas de reporteros, así como el análisis global de la transcripción circadiana indicó que tal sincronía y precisión no era debida a una red circadiana molecular específica del ápice del brote. Sin embargo, los estudios in vivo de células individuales, la desincronización de protoplastos dispersos y el análisis matemático usando coordenadas baricéntricas para espacios multi-dimensionales demostraron que la precisión circadiana era debida al acoplamiento o comunicación entre las células del ápice del brote. La mayor sincronía rítmica confería precisión y robustez frente a perturbaciones genéticas y farmacológicas así como capacidades particulares para los reajustes de fase durante experimentos de "jet-lag". Los ritmos en raíces estaban alterados por la ablación del ápice y en estudios de microinjertos, sugiriendo que las señales del ápice pueden sincronizar órganos distales. De una forma similar a la organización circadiana en mamíferos, nuestros estudios demuestran que los ápices juegan un papel dominante dentro del sistema circadiano jerárquico en plantas.

The circadian clock is a timing mechanism that generates 24-hour biological rhythms. The importance of the circadian clock function is evident in almost all organisms examined to date, from bacteria to humans. Since plants as sessile organisms, the circadian function is particularly relevant for adaptation and survival. Understanding how the plant circadian system is organized in the context of cells, tissues and organs raises as one of the fundamental questions to fully understand plant physiology and metabolism. However, a major challenge in plant biology is to decipher how individual clocks are interconnected to sustain rhythms in the whole plant. In this PhD thesis, we show that the Arabidopsis thaliana shoot apex is composed of an ensemble of coupled clocks that influence rhythms in roots. A series of different protocols developed in this study revealed a disparity of circadian oscillations in excised organs, with hypocotyls, roots and leaves displaying reduced circadian precision and robustness. In contrast, analyses of shoot apexes showed highly synchronized and precise rhythms. The use of different clock mutants and reporter lines as well as analyses of the global circadian transcriptional landscape at the shoot apex indicated that such synchrony and precision is not likely due to a molecular circadian network that is specific for the shoot apex. Instead, in vivo live-imaging of rhythmic single cells, desynchronization of dispersed protoplasts and mathematical analysis using barycentric coordinates for high-dimensional space demonstrated that circadian precision relies on a tight circadian coupling (or communication) among the shoot apex clock cells. The increased rhythmic synchrony conferred robustness against genetic and pharmacological perturbations and particular capabilities for phase readjustments during "jet-lag" experiments. Rhythms in roots were altered by shoot apex ablation and micrografting, suggesting that signals from the shoot apex are able to synchronize distal organs. Similar to the circadian organization in mammals, our studies demonstrate that shoot apexes play a dominant role within the hierarchical circadian system in plants.