WOX9 control by the DELLAs mediates salt tolerance and root hair differentiation in arabidopsis

• Autores: Pilar Lasierra Resa
• Directores de la Tesis: Salomé Prat (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Pardo Prieto (presid.), Rafael Rivilla Palma (secret.), Patrick Achard (voc.), Rafael Catala Rodriguez (voc.), Miguel Ángel Moreno Risueño (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Bioquímica, Biología Molecular, Biomedicina y Biotecnología (Biociencias Moleculares)
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biología molecular
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Gibberellins (GA) play a pivotal role in the control of plant growth. Its signaling is suppressed by the DELLA repressors, a group of GRAS-type regulators that block GA-regulated gene expression and which are stabilized in the absence of GAs. DELLAs suppress growth by direct interaction with the DNA-recognition domain of Phytochrome Interacting Factors (PIFs) and Brassinazole Resistant 1 and 2 (BZR1/2) to inhibit their interaction with DNA (Bernardo-García et al. 2014; de Lucas et al. 2008). This sequestration mechanism has been described for many of the DELLA interactors, but some evidences show that DELLAs also activate transcription by some factors through binding to non DNA-recognition domains.

    Besides suppressing growth, DELLAs play an important role in conferring tolerance to abiotic stresses (Achard et al. 2006; reviewed in Colebrook et al. 2014), although the implicated mechanisms are little understood. To look into this, our lab screened a collection of β-estradiol inducible transgenic lines in the presence of NaCl and GAs. Out of over 500 transcription factors (TF), we identified 32 whose over-expression confers tolerance to salt stress, even in the presence of GAs. We show in this work that 60% of these factors physically interact with the DELLAs, and that in most cases interaction requires a different domain from the LHRI motif, involved in PIFs interaction. This indicates that DELLAs control growth and abiotic stress responses by different mechanisms, and that these responses could be uncoupled.

    We selected the WOX9 homeodomain for further characterization, as over-expression of this factor confers strong tolerance to salt, and members of this gene family had not been previously associated to salt stress. WOX9 strongly interacts with all Arabidopsis DELLAs (RGA, GAI, RGL1, RGL2 and RGL3), and the WUS-box and a conserved EAR motif in the protein are both sufficient to this interaction. WOX9 binds the co-repressor TOPLESS (TPL) through this EAR motif, and binding of DELLAs competes for WOX9-TPL interaction, suggesting that WOX9 is a transcriptional repressor and DELLAs de-repress its downstream targets.

    WOX9 is expressed in the shoot (SAM) and root meristems. Consistent with this expression pattern, the wox9/stip-2 mutant has a smaller SAM and shorter root meristem. This mutant has also shorter roots, a reduced number of lateral roots and shorter root hairs.

    WOX9 over-expression leads to a hypersensitive response both to abscisic acid (ABA) and cytokinins (CK), while these plants are insensitive to GAs. Although levels of CKs and GAs are indeed lower, ABA content is normal, hence suggesting an important role of WOX9 in cross-talk regulation of CK and GAs homeostasis.

    WOX9 induction correlates with down-regulation of several genes, and this repression is reversed by paclobutrazol-mediated stabilization of the DELLA proteins, in agreement with the proposed model that WOX9 is a repressor and accumulation of DELLAs de-represses its target genes.

    Las giberelinas (GA) juegan un papel crucial en el control del crecimiento vegetal. Su señalización está suprimida por los represores DELLA, un grupo de reguladores tipo GRAS que bloquean la expresión de genes dependientes de GAs y que se estabilizan en ausencia de GAs. Las DELLAs paran crecimiento a través de la interacción directa con el dominio de reconocimiento de ADN de los Phytochrome Interacting Factors (PIFs) y Brassinazole Resistant 1/2 (BZR1/2) para bloquear su interacción con el ADN (Bernardo-García et al. 2014; de Lucas et al. 2008). Este mecanismo de secuestro se ha descrito para otros muchos interactores de las DELLAs, pero hay evidencias de que las DELLAs también activan la transcripción a través de la interacción con otros dominios diferentes.

    Además de parar el crecimiento, las DELLAs tienen un papel importante en conferir tolerancia a estreses abióticos (Achard et al. 2006; reviewed in Colebrook et al. 2014), aunque los mecanismos implicados están poco descritos. Para profundizar en esto, nuestro laboratorio hizo un escrutinio de líneas transgénicas inducibles por β-estradiol en presencia de NaCl y GAs. De más de 500 factores de transcripción (TF), se identificaron 32 cuya sobre-expresión confiere tolerancia a estrés salino, incluso en presencia de GAs. En este trabajo mostramos que el 60% de estos factores interacciona físicamente con las DELLAs, y en la mayoría de los casos lo hace a través de un dominio diferente al LHRI, implicado en la interacción con los PIFs, lo que indica que el las DELLAs controlan crecimiento y respuestas a estrés abiótico por mecanismos diferentes, que podrían ser desacoplados.

    Seleccionamos al homedomain WOX9 para una mayor caracterización, debido a que su la sobre-expresión de este factor confiere una fuerte tolerancia a sal, y ningún miembro de la familia había sido previamente relacionado con estrés salino. WOX9 interacciona de manera fuerte con todas las DELLAs de Arabidopsis, y la caja WUS y el motivo EAR son suficientes para la interacción. WOX9 también interacciona con TOPLESS (TPL) por el motivo EAR, y las DELLAs y TPL compiten por la interacción con WOX9, lo que sugiere que WOX9 es un represor transcripcional y las DELLAs des-reprimen sus genes diana.

    WOX9 se expresa en los meristemos apical (SAM) y de raíz. Acorde con este patrón de expresión, el mutante wox9/stip-2 tiene un SAM más pequeño y un meristemo de raíz más corto. Los defectos en raíz son raíces más cortas, un número reducido de raíces laterales y pelos radiculares más cortos.

    La sobre-expresión de WOX9 lleva a una hipersensibilidad al ácido abscísico (ABA) y citokininas (CK), mientras que estas plantas son insensibles a GAs. Aunque los niveles de CKs y GAs son, de hecho, menores, el contenido en ABA es normal, lo que apunta a un posible papel de WOX9 en la regulación cruzada de la homeostasis de CKs y GAs.

    La inducción de WOX9 se corelaciona con la represión de varios genes, y esta represión es revertida por la estabilización de las DELLAs por paclobutrazol, en concordancia con el modelo propuesto de que WOX9 interacciona con TPL para reprimir la transcripción, y que una acumulación de las DELLAs des-reprime a los genes regulador por WOX9.