Functional characterization of VAL B3 domain proteins in Arabidopsis thaliana development

Abstract

Les proteïnes VIVIPAROUS1 (VP1)/ABSCISIC ACID INSENSITIVE3 (ABI3)-LIKE (VAL) funcionen com a reguladores transcripcionals, exercint un paper clau en la repressió de programes transcripcionals mitjançant modificacions epigenètiques. En els darrers anys, s’ha acumulat evidència que demostra que les VAL permeten a les plantes coordinar amb precisió les transicions de desenvolupament i respondre als canvis ambientals a través de la seva interacció amb el Complex Repressor de Polycomb (PRC1 i PRC2). En aquesta tesi, explorem els mecanismes moleculars subjacents a l'activitat de les VAL en diferents etapes del desenvolupament de la planta model Arabidopsis thaliana, centrant-nos principalment en la germinació de llavors, el creixement de plàntules joves i la transició cap al desenvolupament reproductiu.

A la introducció, revisem sistemàticament els avenços recents en la definició dels mecanismes moleculars mitjançant els quals les proteïnes VAL medien el silenciament transcripcional a través de la remodelació de la cromatina, modificacions d’histones i interaccions amb PRC1 i PRC2 durant el cicle vital de la planta. Aquest resum ofereix un context complet sobre l’abast de la regulació mediada per les VAL. A més, assenyalem les limitacions actuals en l’estudi de les proteïnes VAL.

Al capítol 1 de la secció de resultats, combinem un enfocament genètic i transcriptòmic per investigar la necessitat de les VAL en l’activació de la floració en diferents condicions de fotoperíode. Vam descobrir que VAL1, i no la seva proteïna homòloga VAL2, és necessària per induir la transició floral tant en dies llargs com en dies curts. Hem pogut demostrar que la inducció de la floració per part de VAL1 es produeix mitjançant la repressió epigenètica directa dels gens de límit d’òrgans BLADE ON PETIOLE 1 (BOP1) i BOP2. El nostre treball amplia així el repertori de gens diana de les VAL i demostra encara més el paper pleiotròpic dels factors VAL en la regulació del desenvolupament d’Arabidopsis.

Al capítol 2 de la secció de resultats, vam caracteritzar la funció de les proteïnes VAL en la resposta específica als senyals de l'hormona vegetal àcid abscísic (ABA) durant la transició de llavors a plàntules. Durant l’etapa de germinació, el mutant val1 mostra hiposensibilitat als senyals exògens d’ABA. Tanmateix, durant l’etapa de desenvolupament de plàntules, el mutant val1 presenta una hipersensibilitat davant l’ABA. A més, vam descobrir que VAL1 és un factor fonamental en la determinació de la finestra de desenvolupament específica abans de la postgerminació, en la qual les plàntules d’Arabidopsis romanen susceptibles a l’aturada del creixement mediada per ABA. La nostra anàlisi mecanística ha demostrat que VAL1 indueix la reducció de l’accessibilitat de la cromatina dels promotors dels gens que responen a l’ABA, i així aconsegueix suprimir la capacitat de la planta de respondre a la presència de l’hormona. En conclusió, aquest treball de tesi ofereix aportacions importants i innovadores sobre l’abast i els mecanismes de la regulació mediada per VAL a Arabidopsis.

Las proteínas VIVIPAROUS1 (VP1)/ABSCISIC ACID INSENSITIVE3 (ABI3)-LIKE (VAL) funcionan como reguladores transcripcionales, desempeñando un papel fundamental en la represión de programas transcripcionales mediante modificaciones epigenéticas. En los últimos años, se ha acumulado evidencia que demuestra que las proteínas VAL permiten a las plantas coordinar con precisión las transiciones de desarrollo y responder a los cambios ambientales a través de su interacción con el Complejo Represor Polycomb (PRC1 y PRC2). En esta tesis, exploramos los mecanismos moleculares que subyacen a la actividad de VAL durante distintas etapas del desarrollo de la planta modelo Arabidopsis thaliana, centrándonos principalmente en la germinación de semillas, el crecimiento de plántulas jóvenes y la transición hacia el desarrollo reproductivo.

En la introducción, revisamos sistemáticamente los avances recientes en la definición de los mecanismos moleculares mediante los cuales las proteínas VAL median el silenciamiento transcripcional a través de la remodelación de la cromatina, las modificaciones de histonas y sus interacciones con PRC1 y PRC2 a lo largo del ciclo de vida de la planta. Este resumen proporciona un contexto completo sobre el alcance de la regulación mediada por VAL. Además, señalamos las limitaciones actuales en el estudio de las proteínas VAL.

En el capítulo 1 de la sección de resultados, combinamos un enfoque genético y transcriptómico para investigar la necesidad de VAL en la activación de la floración bajo diferentes condiciones de fotoperiodo. Descubrimos que VAL1, y no su proteína homóloga VAL2, es necesaria para inducir la transición floral tanto en días largos como en días cortos. Pudimos demostrar que la inducción de la floración por parte de VAL1 se produce a través de la represión epigenética directa de los genes meristemáticos BLADE ON PETIOLE 1 (BOP1) y BOP2. Nuestro trabajo amplía así el repertorio de genes diana de VAL y demuestra aún más el papel pleiotrópico de los factores VAL en la regulación del desarrollo de Arabidopsis.

En el capítulo 2 de la sección de resultados, caracterizamos la función de las proteínas VAL en la respuesta específica a las señales de la hormona vegetal ácido abscísico (ABA) durante la transición de semillas a plántulas. Durante la etapa de germinación, el mutante val1, muestra hiposensibilidad a las señales exógenas de ABA. Sin embargo, durante la etapa de desarrollo de plántulas, el mutante val1 presenta hipersensibilidad frente a ABA. Además, descubrimos que VAL1 es un factor fundamental en la determinación de la ventana de desarrollo específica antes de la postgerminación en la cual las plántulas Arabidopsis permanecen susceptibles al arresto de crecimiento mediado por ABA. Nuestro análisis mecanístico ha demostrado que VAL1 induce la reducción de la accesibilidad de la cromatina de los promotores de genes que responden a ABA, y por lo tanto, así logra suprimir la capacidad de la planta de responder a la presencia de la hormona. En conclusión, este trabajo de tesis ofrece importantes y novedosos aportes sobre el alcance y los mecanismos de la regulación mediada por VAL en Arabidopsis.

VIVIPAROUS1 (VP1)/ ABSCISIC ACID INSENSITIVE3 (ABI3)-LIKE (VAL) proteins function as transcriptional regulators, playing a pivotal role in repressing transcriptional programs through epigenetic modifications. Over recent years, accumulating evidence has demonstrated that VAL enable plants to coordinate developmental transitions and respond to environmental changes by interacting with Polycomb Repressive Complex (PRC1 and PRC2). In this thesis, we explore the molecular mechanisms underlying VAL activity at different developmental stages of the model plant Arabidopsis thaliana, mainly focusing on seed germination, young seedling growth, and the transition to reproductive development.

In the introduction, we systematically reviewed recent progress in defining the molecular mechanisms whereby VAL proteins mediate transcriptional silencing through chromatin remodeling, histone modifications and interactions with PRC1 and PRC2 during the plant life cycle. This summary provides a comprehensive background of the extent of VAL-mediated regulation. Additionally, we point out current limitations in the study of VAL proteins.

In chapter 1 of the results section, we combined a genetic and transcriptomic approach to investigate the requirement of VAL for the activation of flowering at different day-length conditions. We found that VAL1, and not its sister protein VAL2, is required to induce the floral transition both under long- and short-day photoperiods. We have been able to demonstrate that VAL1 induction of flowering occurs via the direct epigenetic repression of the organ boundary genes BLADE ON PETIOLE1 (BOP1) and BOP2. Our work thus expands the repertoire of VAL target genes and further demonstrates the pleiotropic role of VAL factors in the regulation of Arabidopsis development.

In chapter 2 of the results section, we characterized the function of VAL in response to the plant phytohormone abscisic acid (ABA) in the transition from seed to seedling. We found that val1 mutant is hyposensitive to exogenous ABA during seed germination. In contrast, val1 becomes hypersensitive to exogenous ABA at the onset of seedling development, confirming the essential and complex function of VAL1 in the modulation of ABA signaling in Arabidopsis. In addition, our analyses revealed that VAL1 defines the developmental interval during post-germination in which Arabidopsis plants remain susceptible to ABA-induced growth arrest. Our results demonstrate that VAL1 triggers the reduction of chromatin accessibility of ABA-responsive promoters thus diminishing plant ability to respond to ABA. Overall, this thesis offers significant new insights into the scope and mechanisms of VAL-mediated regulation in Arabidopsis.