Regulación de las respuestas a la proximidad vegetal en Arabidopsis thaliana y especies afines

Abstract

El síndrome de huida de la sombra (Shade Avoidance Syndrome, SAS) se refiere al conjunto de respuestas de las plantas desencadenadas por la detección de la disminución de la razón entre luz roja (R) y roja lejana (FR) de la radiación incidente (razón R:FR). Esta razón, que indica la proximidad de vegetación que puede competir por los recursos, es percibida por los fotorreceptores fitocromos y pone en marcha las respuestas del SAS, entre las que se encuentra el aumento del alargamiento del hipocotilo.

Entre los componentes reguladores del SAS en Arabidopsis thaliana se encuentra ATHB4, cuya expresión se induce rápidamente tras la percepción de proximidad vegetal. ATHB4 es un factor de transcripción de la familia HD-Zip II que actúa como un represor transcripcional. Resultados previos del laboratorio indicaron que (1) ATHB4 tiene un mecanismo molecular dual, actuando como un cofactor transcripcional en la regulación SAS en la plántula y como un factor de transcripción en el control de la polaridad de las hojas, y (2) el dominio Nt es una región implicada en la interacción con otras proteínas que es necesaria para las dos actividades indicadas de ATHB4. Para profundizar en los mecanismos moleculares de ATHB4, hemos sobreexpresado en plantas transgénicas ATHB4 fusionado al activador transcripcional VP16 (35S:ATHB4-VP16). De estos experimentos se confirmó que ATHB4 actúa como cofactor transcripcional en el control del alargamiento del hipocotilo en respuesta a la proximidad vegetal, mientras que actúa como factor de transcripción en la regulación de la polaridad foliar. Por otro lado, realizamos dos aproximaciones complementarias para identificar interactores del Nt de ATHB4, lo que permitió identificar a TOPLESS (TPL), TPL-RELATED 4 (TPR4), SEUSS (SEU) y SIN3 ASSOCIATED POLYPEPTIDE P18 (SAP18).

En contraste con A. thaliana, Cardamine hirsuta, un especie filogenéticamente próxima, no responde a la proximidad vegetal alargando sus hipocotilos, es decir, tolera la sombra. Los análisis comparativos de las respuestas a la proximidad vegetal nos llevó a generar plantas de C. hirsuta con niveles reducidos de PHYA (35S:RNAi-ChPHYA), que en A. thaliana se ha descrito como un regulador negativos del SAS. Las plantas 35S:RNAi-ChPHYA resultaron en plántulas con capacidad de responder a la sombra simulada. En paralelo, realizamos un cribado genético que nos llevó a la identificación y caracterización de plántulas mutantes en C. hirsuta con una respuesta a la sombra en hipocotilo restaurada (mutantes sis, slender in shade). Los dos mutantes eran recesivos y alélicos (sis1-1 y sis1-2) y nos llevaron a determinar que SIS1 codifica el gen ChPHYA. La complementación de plantas deficientes en phyA de A. thaliana con las construcciones pPHYA:PHYA and pPHYA:SIS1 nos indicó que las proteínas PHYA y SIS1 tienen diferentes actividades. En resumen, nuestros resultados indican que la tolerancia a la sombra en C. hirsuta requiere la actividad de phyA, que actuaría suprimiendo la respuesta de alargamiento del hipocotilo. En resumen, nuestros resultados indican que la tolerancia a la sombra en C. hirsuta requiere mecanismos de supresión, y que phyA formaría parte de éstos.

Plants have developed two different strategies to deal with the shade caused by neighboring vegetation: to avoid or to tolerate it. Shade-avoider species, such as Arabidopsis thaliana, display the Shade Avoidance Syndrome (SAS) responses, which include elongation of hypocotyls, stem and petioles, and acceleration of flowering time, amongst others.

ATHB4 is a member of the HD-Zip II family of transcription factors whose expression is rapidly upregulated after plant proximity perception in A. thaliana. ATHB4 was previously shown to have a role in the regulation of SAS and in controlling leaf polarity. We postulate that ATHB4 has a dual molecular mechanism: it acts as a transcriptional cofactor in the SAS regulation, whereas it acts as a transcription factor when controlling leaf polarity. By generating transgenic plants overexpressing ATHB4 fused to the potent transcriptional activator VP16 (35S:ATHB4-VP16), we found that ATHB4 acts as a transcription cofactor when controlling the elongation of the hypocotyl in response to shade, and as a transcription factor when modulating leaf polarity. Data from our laboratory indicates that the N-terminal region of ATHB4 (Nt-ATHB4) is necessary for its regulatory role. This is likely happening because the Nt-ATHB4 region has the ability to interact with other proteins. Indeed, we identified 4 new interactors of ATHB4 by using two complementary approaches: TOPLESS (TPL), TPL-RELATED 4 (TPR4), SEUSS (SEU) and SIN3 ASSOCIATED POLYPEPTIDE P18 (SAP18).

Exposure to neighboring vegetation of shade-tolerant species does not result in an induction of hypocotyl or stem elongation. This is the case of Cardamine hirsuta, a close relative of A. thaliana that in nature grows under shaded or semi-shaded conditions. Little is known about the genetic components that regulate shade tolerance. To understand the genetic basis of the differences between both adaptive strategies (shade tolerance vs. avoidance) we have used genetic approaches. As a result, we obtained mutant seedlings in Cardamine with a restored hypocotyl response to shade. We postulate that the absence of response to shade in the hypocotyls of C. hirsuta is due to suppressor mechanisms present in this species.