From underground to sunlight: characterization of PIF target genes define novel PIF-regulated processes

Abstract

El desenvolupament i creixement de les plàntules està influenciat per senyals ambientals com ara la llum o la temperatura, i per senyals internes com ara les hormones o el rellotge circadià. Les plantes utilitzen la llum com a font d’energia per a realitzar la fotosíntesis i també com a font d'informació per percebre els canvis en l'entorn que les envolta. Per aquesta raó, les plantes tenen unes proteïnes sensibles a la llum anomenades fotoreceptors, que capten la llum i envien el senyal a una xarxa de regulació gènica que desencadena respostes fotomorfogèniques durant tot el seu cicle de vida. Els estudis fets en la planta model Arabidopsis thaliana han establert que els factors de transcripció anomenats Phytochrome Interacting Factors (PIFs) juguen un paper important durant aquesta resposta, regulant l'expressió de gens involucrats en processos fotomorfogènics com per exemple: la germinació, la desetiolació, el creixement diürn, la regulació del creixement a través de la temperatura, la resposta a la fugida de l'ombra i la floració. Altres processos fisiològics regulats per aquesta xarxa gènica encara estan poc estudiats.

El principal objectiu d'aquest treball és ampliar el coneixement de la xarxa de regulació gènica controlada pels PIFs durant la fotomorfogènesis i definir noves funcions regulades pels PIFs durant el desenvolupament de la planta.

En primer lloc, estudis previs han demostrat que MIDA9, una fosfatasa del tipus 2C, regula la formació del ganxo apical durant la postgerminació de la plàntula en foscor. Durant la tesi hem realitzat estudis genètics per caracteritzar la funció de MIDA9 i hem establert que és necessari per a promoure el creixement asimètric en l'hipocòtil, el qual és imprescindible per la formació del ganxo apical. Per altra banda, la majoria dels treballs publicats s'han focalitzat en entendre la funció dels PIFs durant el creixement de la planta. Per contra, pocs estudis s'han centrat a descobrir altres respostes fisiològiques regulades pels PIFs durant el creixement diürn. En aquest treball hem definit que l’acumulació dels PIFs al final de la nit és necessària per a regular el moviment dels estomes. Finalment, tot i que la funció de la xarxa gènica regulada pels PIFs ha estat caracteritzada durant aquests anys, en aquesta tesi hem identificat KAT1 i MIDA9 com a nous gens regulats pels PIFs, els quals participen en la modulació del moviment dels estomes.

Ja que prèviament s'ha descrit que el control del moviment dels estomes és essencial per a regular el balanç hídric en plantes, aquest treball podria contribuir a la identificació de components que podrien ser dianes moleculars per a la generació de plantes resistents a la sequera. A més a més, hem contribuït a entendre millor el mecanisme involucrat en el desenvolupament del ganxo apical, un procés vital per a la supervivència de les plàntules.

Plants perceive and integrate external (such as light and temperature) and internal (such as hormones or the circadian clock) signals to optimize growth and development in a changing environment. Light is used not only as a source of energy for plant photosynthesis, but also as a source of information to perceive the surrounding environment. Plants are armed with light sensitive proteins called photoreceptors that sense and transduce light signals to a core regulatory network that implements different facets of photomorphogenesis throughout plant life cycle. Studies in the model plant Arabidopsis thaliana have established that several transcriptional regulators such as the PHYTOCHROME INTERACTING FACTORS (PIFs) play a key role in this transcriptional network by regulating the expression of genes involved in different photomorphogenic processes such as seed germination, seedling deetiolation, diurnal and thermal growth, shade avoidance, or flowering. The downstream functions of this network and the implication of PIFs in other physiological and developmental responses remains poorly understood.

The main objective of this work is to expand current understanding of the regulatory network acting downstream of PIFs during photomorphogenesis, and to define novel regulatory roles of PIFs during plant development.

Previous studies had shown that MIDA9, a PIF3-regulated protein phosphatase 2C, regulates hook development during the post-germinative growth of the seedling. One of the aims of this thesis was to perform detailed genetic and phenotypic characterization of MIDA9 function, and we established that MIDA9 promotes the asymmetric growth required for the apical hook formation, possibly by altering ethylene biosynthesis. A second aim consisted in the definition of a novel role of PIFs in regulating stomata movements under diurnal conditions. We propose that PIFs accumulate at the end of the night to induce the expression of a factor that is necessary to promote stomata aperture in response to light at dawn. Moreover, light is suggested to reduce bioactive levels of ABA (Abscisic Acid) and release the repression that this hormone exerts during the night. Finally, we identified and characterized the function of KAT1 and MIDA9 as genes that modulate stomata movements downstream of the PIFs.

Because regulation of stomata movements is essential to control water balance in plants, the identified regulatory components are candidate molecular targets for the development of drought resistant plants. Moreover, the described regulation of the apical hook development might contribute to the establishment and survival of the postgerminative seedling.