Spatiotemporal analysis of brassinosteroid signaling in the vascular stem cells

Abstract

Aquesta tesi doctoral descriu diversos avenços conceptuals per a la comprensió molecular de la senyalització de brassinosteroides en el nínxol de cèl·lules mare de l’arrel d’Arabidopsis thaliana. Els brassinoesteroides són les hormones esteroides de les plantes que juguen un paper important en el creixement i desenvolupament vegetal. En l’arrel primària d’Arabidopsis, els brassinoesteroides estan involucrats en el desenvolupament del meristem i manteniment de les cèl·lules mare. Les cèl·lules mare són les cèl·lules més indiferenciades, aquestes es van dividint i diferenciant per generar els diferents tipus cel·lulars de l’arrel. Aquests processos estan estretament controlats per factors interns i externs. El baix nombre de cada població de cèl·lules mare fa complicat el seu estudi de manera individual, per tant, el desenvolupament de mètodes amb resolució per estudiar tipus cel·lulars i fins i tot cèl·lules individuals representa una oportunitat única per investigar aquesta població cel·lular tan escassa. En aquesta tesi doctoral, utilitzem una estratègia multidisciplinària, que inclou genètica, anàlisi transcriptòmica i models matemàtics, per identificar les característiques moleculars de les cèl·lules mare de l’arrel enfocant-nos en el paper dels brassinoesteroides en aquestes cèl·lules. Defectes en els processos de creixement i desenvolupament vegetal generalment són deguts a defectes en el creixement de l’arrel principal. Com que la quantificació precisa de la longitud de l’arrel requereix molt de temps, en aquesta tesi doctoral es descriu el desenvolupament de l’eina MyROOT per a la mesura d’arrels d’Arabidopsis d’una manera semiautomàtica (Capítol 2). A més a més, els resultats presentats en aquesta tesi revelen quin és el paper dels brassinoesteroides en el nínxol de cèl·lules mare. Mitjançant una estratègia de biologia de sistemes s’ha estudiat el paper del factor de transcripció BRAVO, regulat per brassinoesteroides, juntament amb WOX5 en el creixement i desenvolupament de l’arrel (Capítol 3). Igualment, una aproximació específica per tipus cel·lulars ha revelat la resposta transcripcional mediada per BRAVO al centre quiescent i en les cèl·lules mare vasculars adjacents (Capítol 4). Finalment, l’ús de seqüenciació massiva de l’RNA (RNAseq) amb resolució cel·lular ha estat implementat per generar el primer atles transcriptòmic del nínxol de cèl·lules mare de l’arrel. Aquesta aproximació ha permès identificar les característiques moleculars de les cèl·lules mare i la presència de diferents poblacions d’aquestes en el domini d’expressió de BRAVO (Capítol 5). Aquesta tesi doctoral avança en el coneixement de les cèl·lules mare de les plantes i posa de manifest la necessitat d’estratègies multidisciplinàries per descobrir processos fonamentals de el desenvolupament vegetal.

Esta tesis doctoral reporta avances conceptuales en la respuesta molecular mediada por la ruta de señalización de los brasinoesteroides en el nicho de células madre de Arabidopsis thaliana. Los brasinoesteroides son las hormonas esteroideas de las plantas y juegan un papel importante en el crecimiento y desarrollo vegetal. En la raíz primaria de Arabidopsis, los brasinoesteroides están involucrados en el desarrollo del meristemo y mantenimiento de las células madre. En el nicho de células madre, las células madre son las células más indiferenciadas que se van dividiendo y diferenciando para generar los distintos tipos celulares de la raíz. Estos procesos están estrechamente controlados por factores internos y externos. El bajo número de cada población de células madre hace complicado su estudio individualmente, por lo tanto, el desarrollo de métodos con resolución para estudiar tipos celulares e incluso células individualmente representa una oportunidad única para investigar esta población celular tan escasa. En esta tesis doctoral, utilizamos una estrategia multidisciplinar, que incluye genética, análisis transcriptómicos y modelos matemáticos, para identificar las características moleculares de las células madre de la raíz y enfocándonos al papel de los brasinoesteroides en esas células. Defectos en procesos de crecimiento y desarrollo vegetal se reflejan generalmente en defectos en el crecimiento de la raíz principal. Como la cuantificación precisa de la longitud de la raíz requiere mucho tiempo, en esta tesis doctoral se describe el desarrollo de la herramienta MyROOT para la medida de raíces de Arabidopsis de una forma semiautomática (Capítulo 2). Además, los resultados presentados en esta tesis revelan el papel de los brasinoesteroides en el nicho de células madre. Una estrategia de biología de sistemas revela el papel del factor de transcripción BRAVO, regulado por brasinoesteroides, junto con WOX5 en el crecimiento y desarrollo de la raíz (Capítulo 3). Igualmente, una aproximación específica para tipos celulares revela la respuesta transcripcional mediada por BRAVO en el centro quiescente y en las células madre vasculares adyacentes (Capítulo 4). Por último, el uso de RNAseqs con resolución celular ha sido implementado para generar el que creemos es el primer atlas transcriptómico del nicho de células madre de la raíz. Esta aproximación ha permitido identificar las características moleculares de las células madre y la presencia de diferentes poblaciones de estas células en el dominio de expresión de BRAVO (Capítulo 5). Esta tesis doctoral avanza en el conocimiento de las células madre de las plantas y pone de manifiesto la necesidad de estrategias multidisciplinares para descubrir procesos fundamentales del desarrollo vegetal.

This PhD thesis dissertation reports a number conceptual advances for the molecular understanding of brassinosteroid signaling in the root stem cell niche of Arabidopsis thaliana. Brassisnosteroids are the plant steroid hormones that play important roles in plant growth and development. In the Arabidopsis primary root, brassinosteroids are involved in meristem development and stem cell maintenance. At the root stem cell niche, stem cells are the more undifferentiated cells that divide and differentiate to give rise to the distinct cell types of the root. These processes are tightly controlled by internal and external factors. The low number each stem cell population makes it difficult to study them individually, therefore, the advent of cell-type and single-cell specific approaches represents a unique opportunity to investigate this rare cell population. In this PhD thesis, we used an interdisciplinary approach, including genetics, transcriptomics analysis and mathematical modelling, to identify the molecular signatures of the root stem cells with a focus on the role of brassinosteroid hormones in those cells. Defects in growth and development processes is often reflected in abnormal primary root growth. As the accurate quantification of plant primary root length is time consuming, in this PhD dissertation, we describe the development of MyROOT software for the semi-automatic measurement of Arabidopsis primary roots (Chapter 2). In addition, the results presented in this thesis uncover the role of brassinosteroids in the stem cell niche. A systems biology approach revealed a role of the brassinosteroid-mediated BRAVO transcription factor together with WOX5 in overall root growth and development (Chapter 3). Moreover, cell-type specific transcriptomic analysis uncover the transcriptional response mediated by BRAVO in the QC and adjacent vascular stem cells (Chapter 4). Finally, the use of single-cell RNAseq has been implemented to generate to our knowledge the first transcriptomic atlas of the root stem cell niche. This approach allowed to characterize the molecular signatures of the stem cells and to find novel stem cell populations within the BRAVO expression domain (Chapter 5). Overall, the present PhD thesis advances in the understanding of stem cells in plants and expose the necessity of multidisciplinary approaches to uncover fundamental biological questions in plant development.