Deciphering the vascular role of brassinosteroids receptors in Arabidopsis and Sorghum

Abstract

En aquesta tesi doctoral s'han realitzat anàlisis moleculars genètics en plantes amb l'objectiu d'identificar: i) noves funcions del receptor BRL3 implicades en el control del creixement i de les respostes a l'estrès abiòtic en Arabidopsis thaliana, ii) nous factors relacionats amb la termomorfogènesi mediada per BRL3 en Arabidopsis thaliana i iii) funcions del receptor BRI1 implicades en el desenvolupament embrionari radicular en Sorghum bicolor. Els brassinoesteroids (BRs) son fitohormones essencials que juguen un paper clau en el creixement i desenvolupament vegetal i en les respostes a l'estrès abiòtic. La via de senyalització dels BR és una de les millors estudiades en plantes. Malgrat que existeixen diversos receptors de BR identificats, les principals funcions de BRL3, un receptor de BR enriquit en la vasculatura, encara no es coneixen en detall. Els BRs tenen gran importància en els cultius, ja que plantes mutants de gens relacionats amb BRL3 presenten trets d'interès en agricultura. Aquesta tesi implementa un enfocament multidisciplinari basat en genètica, -òmiques, bioinformàtica i assaigs fisiològics amb l'objectiu d'identificar noves funcions de BRL3 implicades en el control de les adaptacions termomorfogèniques en plantes i nous components de la via de senyalització del receptor de BRL3 encarregada del control de la termomorfogènesi. A més, també s'han identificat les funcions del receptor de BR SbBRI1 en el cultiu monocotiledoni Sorghum bicolor. Per elucidar els mecanismes implicats en el control de BR sobre la elongació de l'hipocòtil davant altes temperatures, s'ha realitzat un screening de supressors en plantes brl3-2 (capítol 2). Mitjançant estudis genètics i metabolòmics s'ha identificat que BRL3 està implicat en la distribució del carboni al llarg de la vasculatura de la planta i en el control floemàtic a l'arrel (capítol 3). Finalment, s'ha identificat i caracteritzat el receptor SbBRI1 en un cultiu de cereal poc caracteritzat, Sorghum bicolor, mitjançant l'adaptació de tècniques ben establides en Arabidopsis thaliana. Els anàlisis en Sorghum bicolor mostren una conservació entre espècies en les funcions dels receptors BRI1 implicades en divisió cel·lular i elongació, en el desenvolupament del meristem i en el creixement general de l'arrel. En conjunt, els resultats d'aquesta tesi doctoral obren noves vies per desenvolupar nous cultius 'climàticament intel·ligents'.

La presente tesis doctoral informa sobre un análisis de genética molecular de plantas con el fin de identificar: i) nuevos roles del receptor BRL3 en el control del crecimiento de las plantas y las respuestas al estrés abiótico en Arabidopsis thaliana, ii) nuevos participantes en la termomorfogénesis mediada por BRL3 en Arabidopsis thaliana, y iii) roles del receptor BRI1 en el desarrollo de la raíz embrionaria de Sorghum bicolor.

Los brassinosteroides (BR) son fitohormonas esenciales que desempeñan roles clave en el crecimiento, desarrollo y respuestas al estrés abiótico de las plantas. La vía de señalización de BR es una de las más estudiadas en las plantas. Se han identificado varios receptores de BR, pero solo se ha empezado a dilucidar los roles clave de BRL3, un receptor de BR enriquecido en el sistema vascular. Los BRs son de gran importancia en los cultivos, ya que muchos mutantes relacionados con BRs exhiben características deseables para las especies agrícolas. Este trabajo de tesis doctoral implementa un enfoque interdisciplinario de genética, ómicas, bioinformática y ensayos fisiológicos para descubrir un nuevo rol de BRL3 en el control de las adaptaciones termomorfogénicas de las plantas, e identificar nuevos componentes de la vía del receptor BRL3 en el control de la termomorfogénesis. Además, se han dilucidado los roles del receptor de BR, SbBRI1, en el cultivar monocotiledóneo Sorghum bicolor.

Para descubrir los mecanismos del control mediado por BR en la elongación del hipocótilo bajo altas temperaturas, se realizó una mutagénesis de supresores en plantas brl3-2 (Capítulo 2). Estudios de genética y metabolómica revelaron que BRL3 desempeña un papel en la asignación de carbono a lo largo del sistema vascular de la planta y la regulación del flujo del floema en la raíz (Capítulo 3). Por último, al adaptar técnicas bien establecidas en Arabidopsis thaliana al cereal menos caracterizado Sorghum bicolor, pudimos identificar y caracterizar el receptor SbBRI1. El análisis en Sorghum bicolor respalda los roles conservados de los receptores BRI1 en la división y elongación celular, el desarrollo del meristemo y el crecimiento general de las raíces.

En resumen, los resultados de esta tesis doctoral abren una nueva perspectiva para el desarrollo de cultivos adaptados al clima.

The present Ph.D. thesis dissertation reports molecular genetics analysis of plants towards the identification of: i) new roles for BRL3 receptor in controlling plant growth and abiotic stress responses in Arabidopsis thaliana, ii) new players of BRL3-mediated thermomorphogenesis in Arabidopsis thaliana, and iii) roles for BRI1 receptor in embryonic root development of Sorghum bicolor. Brassinosteroids (BRs) are essential phytohormones that play key roles in plant growth, development, and abiotic stress responses. The BR signaling pathway is one of the best studied in plants. Several BR receptors have been identified, but key roles for BRL3, a vascular-enriched BR receptor, have just only started to be elucidated. BRs are of great importance in crops, as many BR-related mutants exhibit desired traits for agricultural species. This Ph.D. thesis work implements an interdisciplinary approach of genetics, -omics, bioinformatics, and physiological assays to uncover a new role for BRL3 controlling plant thermomorphogenic adaptations and to identify novel components of the BRL3 receptor pathway in the control of thermomorphogenesis. Furthermore, the roles of BR receptor SbBRI1 in the monocotyledonous crop Sorghum bicolor have been elucidated. To uncover the mechanisms for BR-mediated control of hypocotyl elongation under high temperatures, a suppressor screening of brl3-2 plants has been done (Chapter 2). Genetics and metabolomics studies revealed that BRL3 performs a role in carbon allocation along the plant vasculature and phloem gating in the root (Chapter 3). Finally, by adapting well-established Arabidopsis thaliana techniques to the less-characterized cereal Sorghum bicolor, we were able to identify and characterize the SbBRI1 receptor. The analysis in Sorghum bicolor supports the conserved roles for BRI1 receptors in cell division and elongation, in meristem development, and overall root growth. Overall, the results of this Ph.D. thesis open a new window to develop new climate-smart crops.