Molecular characterization of the circadian function and the transcriptional regulatory network at the core of the pistil circadian clock

Abstract

El rellotge circadià és un mecanisme cel·lular endogen que genera ritmes biològics amb un període de 24 hores. A les plantes, el sistema circadià regula molts processos essencials, inclosos, entre d'altres, el temps de floració i el moviment dels pètals. En aquesta Tesi Doctoral ens hem centrat en com funciona el rellotge circadià a les flors d'Arabidopsis thaliana, concretament als pistils, l'òrgan reproductor femení. Quan se separen de la resta de la flor, els pistils mantenen ritmes circadians molt precisos, cosa que indica la seva autonomia circadiana específica. Per contra, els estams i altres òrgans florals mostren un període circadià curt o una pèrdua d'amplitud amb el temps. Les anàlisis de mutants de rellotge i assaigs d'immunoprecipitació de cromatina mostren patrons d'expressió diferents i funcions reguladores específiques per als repressors de rellotge principals als pistils. Els estudis d'interacció genètica també suggereixen una jerarquia de les activitats repressores que podrien proporcionar robustesa i precisió al rellotge en pistils. Les anàlisis de línies mutants de rellotge i de sobreexpressió indiquen que la funció circadiana adequada és important per a la regulació coordinada del creixement del pistils i l'estams, la qual cosa és essencial per a una pol·linització eficaç. En conseqüència, les plantes amb mutacions en components importants del rellotge circadià mostren alteracions a la producció de llavors. Comprendre les complexitats circadianes dels òrgans reproductius pot ser útil per optimitzar la reproducció i la productivitat de les plantes, obrint així noves vies per la manipulació de la funció del rellotge circadià en cultius de rellevància agronòmica.

El reloj circadiano es un mecanismo celular endógeno que genera ritmos biológicos con un período de 24 horas. En las plantas, el sistema circadiano regula muchos procesos esenciales, incluidos, entre otros, el tiempo de floración y el movimiento de los pétalos. En esta Tesis Doctoral nos hemos centrado en cómo funciona el reloj circadiano en las flores de Arabidopsis thaliana, concretamente en los pistilos, el órgano reproductor femenino. Cuando se separan del resto de la flor, los pistilos mantienen ritmos circadianos muy precisos, lo que indica su autonomía circadiana específica. Por el contrario, los estambres y otros órganos florales muestran o bien un período circadiano corto o bien una pérdida de amplitud con el tiempo. Los análisis de mutantes de reloj y ensayos de inmunoprecipitación de cromatina muestran patrones de expresión distintos y funciones reguladoras específicas para los principales represores de reloj en los pistilos. Los estudios de interacción genética también sugieren una jerarquía de las actividades represoras que podrían proporcionar robustez y precisión al reloj en pistilos. Los análisis de líneas mutantes de reloj y de sobre-expresión indican que la función circadiana adecuada es importante para la regulación coordinada del crecimiento del pistilos y el estambres, lo cuál es esencial para una polinización eficaz. En consecuencia, las plantas con mutaciones en componentes importantes del reloj circadiano muestran alteraciones en la producción de semillas. Comprender las complejidades circadianas de los órganos reproductivos puede resultar útil para optimizar la reproducción y la productividad de las plantas, abriendo así nuevas vías para la manipulación de la función del reloj circadiano en cultivos de relevancia agronómica.

The circadian clock is an endogenous timekeeping mechanism that generates biological rhythms with a period of 24-hours. In plants, the circadian system regulates many essential processes including among many others, flowering time, and petal movement. In this Doctoral Thesis, we have focused on how the circadian clock functions in Arabidopsis thaliana flowers, specifically, in pistils, the female reproductive organ. When detached from the rest of the flower, pistils sustain highly precise rhythms, indicating organ-specific circadian autonomy. In contrast, stamens, and other floral organs, display a short circadian period or dampening rhythms over time. Analyses of clock mutants and chromatin immunoprecipitation assays show distinct expression patterns and specific regulatory functions for clock repressors in pistils. Genetic interaction studies also suggest a hierarchy of the repressing activities that might provide robustness and precision to the pistil clock. Analyses of clock mutant and over-expressing lines indicate that proper circadian function is important for the coordinated regulation of pistil and stamen growth, which is essential for effective pollination. Consequently, clock mutant plants show alterations in seed production. Understanding the circadian intricacies in reproductive organs may prove useful for optimizing plant reproduction and productivity, opening new avenues for manipulation of clock function in crops of agronomic relevance.