Brassinosteroid-mediated drought tolerance in Arabidopsis thaliana and translation to Sorghum bicolor

Abstract

La present tesi doctoral revela nous mecanismes del receptor de brasinoesteroides BRI1-LIKE 3 (BRL3) i els seus actors moleculars riu avall en l'adaptació a l'estrès abiòtic en Arabidopsis thaliana. A més, reporta un avenç significatiu en la transformació genètica de Sorghum bicolor, conduint al desenvolupament de cultius millor adaptats a l'estrès per sequera. Els brasinoesteroides, hormones esteroides essencials en plantes, són percebuts per receptors quinases amb repeticions riques en leucina a la membrana plasmàtica, amb BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1) impulsant l'elongació i el creixement cel·lular des de les capes cel·lulars exteriors i BRL3 regulant l'adaptació a l'estrès per sequera i temperatura des dels teixits vasculars. A través d'un enfocament interdisciplinari que abasta biologia molecular, genètica, biotecnologia, bioquímica, fisiologia i bioinformàtica, aquesta tesi desxifra la regulació transcripcional de BRL3 sota estrès abiòtic i els seus factors de transcripció riu avall que modulen la tolerància a l'estrès per sequera en Arabidopsis thaliana. Els descobriments clau inclouen la caracterització dels factors de transcripció CLASS III HOMEODOMAIN-LEUCINE ZIPPER (HD-Zip III) en la regulació de l'expressió vascular de BRL3 i el descobriment de nous rols per als factors de transcripció MYB MYB96 (AT5G62470), MYB305 (AT3G24310) i el factor de transcripció HD-Zip II HAT9 (AT2G22800) com a actors crítics en la senyalització mediada per BRL3 a través de BRASSINAZOLE RESISTANT 1 (BZR1) per controlar l'adaptació de la planta a l'estrès abiòtic. En aquesta tesi doctoral, el treball traslacional d'aquests descobriments a Sorghum bicolor, un cereal de gran importància agronòmica, demostra que la modulació de la senyalització de brasinoesteroides pot millorar la tolerància a l'estrès abiòtic en cultius. Emprant transcriptòmica, metabolòmica i assajos fisiològics de mutagènesi no dirigida del receptor BRI1 de Sorghum, l'estudi revela a BRI1 com un regulador negatiu de l'estrès per sequera, afectant principalment la via dels fenilpropanoides, involucrada en la síntesi de lignina i flavonoides. A més, la tesi estableix un protocol de transformació altament eficient mediat per Agrobacterium per a Sorghum bicolor, aprofitant reguladors morfogènics i un sistema de vector ternari, superant per primera vegada la dificultat de la transformació genètica en Sorghum en laboratoris acadèmics europeus. Aquest avenç va permetre la generació de plantes transgèniques que augmenten els nivells del receptor BRL3 en Sorghum bicolor, resultant en plantes millor adaptades a l'estrès per sequera mitjançant l'alteració de l'epinàstia foliar. En general, aquesta dissertació no només desxifra nous components de la senyalització mediada per BRL3 en la tolerància a l'estrès per sequera, sinó que també obre el camí per crear cultius intel·ligents millor adaptats al canvi climàtic, destacant el potencial de la modulació de la senyalització de brasinoesteroides i les tècniques avançades de transformació genètica en la millora de cultius.

La presente tesis doctoral revela nuevos mecanismos del receptor de brasinoesteroides BRI1-LIKE 3 (BRL3) y sus actores moleculares aguas abajo en la adaptación al estrés abiótico en Arabidopsis thaliana. Además, reporta un avance significativo en la transformación genética de Sorghum bicolor, conduciendo al desarrollo de cultivares mejor adaptados al estrés por sequía. Los brasinoesteroides, hormonas esteroides esenciales en plantas, son percibidos por receptores quinasa con repeticiones enriquecidas en leucina en la membrana plasmática, con BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1) impulsando la elongación y el crecimiento celular desde las capas celulares exteriores y BRL3 regulando la adaptación al estrés por sequía y temperatura desde los tejidos vasculares. A través de un enfoque interdisciplinario que abarca biología molecular, genética, biotecnología, bioquímica, fisiología y bioinformática, esta tesis descifra la regulación transcripcional de BRL3 bajo estrés abiótico y sus factores de transcripción aguas abajo que modulan la tolerancia al estrés por sequía en Arabidopsis thaliana. Los hallazgos clave incluyen la caracterización de los factores de transcripción CLASS III HOMEODOMAIN-LEUCINE ZIPPER (HD-Zip III) en la regulación de la expresión vascular de BRL3 y el descubrimiento de nuevos roles para los factores de transcripción MYB MYB96 (AT5G62470), MYB305 (AT3G24310) y el factor de transcripción HD-Zip II HAT9 (AT2G22800) como actores críticos en la señalización mediada por BRL3 vascular a través de BRASSINAZOLE RESISTANT 1 (BZR1) para controlar la adaptación de la planta al estrés abiótico. En esta tesis doctoral, el trabajo traslacional de estos hallazgos a Sorghum bicolor, un cereal de gran importancia agronómica demuestra que la modulación de la señalización de brasinoesteroides puede mejorar la tolerancia al estrés abiótico en cultivos. Empleando transcriptómica, metabolómica y ensayos fisiológicos de mutagénesis no dirigida del receptor BRI1 de Sorghum, el estudio revela a BRI1 como un regulador negativo del estrés por sequía, afectando principalmente la vía de los fenilpropanoides, involucrada en la síntesis de lignina y flavonoides. Además, la tesis establece un protocolo de transformación altamente eficiente mediado por Agrobacterium para Sorghum bicolor, aprovechando reguladores morfogénicos y un sistema de vector ternario, superando por primera vez la dificultad de la transformación genética en sorgo en laboratorios académicos europeos. Este avance permitió la generación de plantas transgénicas que aumentan los niveles del receptor BRL3 en Sorghum bicolor, resultando en plantas mejor adaptadas al estrés por sequía mediante la alteración de la epinastia foliar. En general, esta disertación no solo descifra nuevos componentes de la señalización mediada por BRL3 en la tolerancia al estrés por sequía, sino que también allana el camino para crear cultivos inteligentes mejor adaptados al cambio climático, destacando el potencial de la modulación de la señalización de brasinoesteroides y las técnicas avanzadas de transformación genética en la mejora de cultivos.

The present PhD thesis dissertation unveils novel mechanisms of the brassinosteroid receptor BRI1-LIKE 3 (BRL3) and its downstream molecular players in coping with abiotic stresses in Arabidopsis thaliana. Additionally, it reports a significant advancement in Sorghum bicolor genetic transformation, leading to the development of cultivars better adapted to drought stress. Brassinosteroids, essential plant steroid hormones, are perceived by plasma membrane leucine-rich repeat receptor-like kinases, with BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1) driving cell elongation and growth from the outer cell layers and BRL3 regulating drought and temperature stress adaptation from the vascular tissues. Through an interdisciplinary approach encompassing molecular biology, genetics, biotechnology, biochemistry, physiology, and bioinformatics, this thesis deciphers BRL3 transcriptional regulation under abiotic stress and its downstream transcription factors that modulate drought stress tolerance in Arabidopsis thaliana. Key findings include the characterization of CLASS III HOMEODOMAIN-LEUCINE ZIPPER (HD-Zip III) transcription factors in regulating BRL3 vascular expression and the uncovering novel roles for MYB transcription factors MYB96 (AT5G62470), MYB305 (AT3G24310), and HD-Zip II transcription factor HAT9 (AT2G22800) as critical players in vascular BRL3-mediated signaling through BRASSINAZOLE RESISTANT 1 (BZR1) to control plant abiotic stress adaptation. In this PhD thesis, translational work of these findings to Sorghum bicolor, a cereal of great agronomical importance, demonstrates that modulation of brassinosteroid signaling can enhance abiotic stress tolerance in crops. By employing transcriptomics, metabolomics, and physiological assays of untargeted mutagenesis of the Sorghum BRI1 receptor, the study reveals BRI1 as a negative regulator of drought stress, primarily affecting the phenylpropanoid pathway involved in lignin and flavonoid synthesis. Additionally, the thesis establishes a highly efficient Agrobacterium-mediated transformation protocol for Sorghum bicolor, leveraging morphogenic regulators and a ternary vector system and overcoming the difficulty of genetic transformation in Sorghum for the first time in European academic laboratories. This breakthrough enabled the generation of transgenic plants that enhance Sorghum bicolor BRL3 receptor levels, resulting in plants better adapted to drought stress by altering leaf epinasty. Overall, this dissertation not only deciphers novel components of the BRL3-mediated signaling in drought stress tolerance, but also paves the way for creating smart crops better adapted to climate change, underscoring the potential of brassinosteroid signaling modulation and advanced genetic transformation techniques in crop improvement.