Tesis:
Estudio del mecanismo de señalización por giberelinas en el endospermo de semillas de arabidopsis thaliana
- Autor: SANCHEZ MONTESINO, Rocío
- Título: Estudio del mecanismo de señalización por giberelinas en el endospermo de semillas de arabidopsis thaliana
- Fecha: 2019
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL
- Acceso electrónico:
- Director/a 1º: OÑATE SANCHEZ, Luis Javier
- Resumen: La semilla es un órgano fundamental para la supervivencia y la dispersión de las plantas y su germinación es un proceso crítico que influye en gran medida en el rendimiento de los cultivos. El endospermo tiene un importante papel en el control de la germinación, suministrando nutrientes al embrión durante este proceso. Además, este tejido es el encargado de percibir las condiciones ambientales y de integrar esa información en forma de señales que son transmitidas hacia el embrión para controlar su crecimiento. Las giberelinas (GAs) tienen un papel fundamental en la germinación, promoviendo la elongación del embrión y el debilitamiento de las paredes celulares del endospermo, ambos eventos esenciales en este proceso. Aunque en el laboratorio se había caracterizado un módulo regulador que controla el crecimiento del embrión durante la germinación, se desconocían los mecanismos moleculares que regulaban la respuesta a GAs y la expansión celular en el endospermo y su relación con el embrión. El primer objetivo de esta tesis es la identificación de nuevos reguladores implicados en la señalización por GAs en el endospermo durante la germinación de la semilla, utilizando para ello dos aproximaciones complementarias basadas en análisis filogenéticos junto con el cribado de una librería de factores de transcripción y análisis in silico de datos de expresión global de genoma completo durante la germinación. La segunda parte de este trabajo se centra en determinar la relevancia de la señalización por GAs específica de endospermo en el proceso de la germinación.
El análisis filogenético del promotor del gen EXPA2, inducido por GAs específicamente en el endospermo durante la germinación, permitió la identificación de un elemento funcional conservado en otras especies de brásicas (SC-EXPA2). Demostramos que SC-EXPA2 contiene secuencias reconocidas por los TFs NAC25 y NAC1L, expresados en endospermo, que son imprescindibles para la transactivación y la inducibilidad del gen EXPA2 por GAs. Las proteínas NAC25 y NAC1L son capaces de formar homo y heterodímeros in planta y NAC25 interacciona con la proteína DELLA RGL2, un represor del mecanismo de señalización por GAs. Dicha interacción elimina la capacidad de transactivación de NAC25 sobre EXPA2. El análisis funcional de las pérdidas de función de los genes NAC25 y NAC1L indica que son activadores de la transcripción, principalmente de genes que codifican enzimas de remodelación de pared celular, y que su regulación es esencial para la elongación celular en el endospermo y subsecuente germinación.
Análisis in silico de datos de expresión global, permitieron la identificación de cuatro factores de transcripción adicionales expresados en el endospermo durante la germinación (FT1-FT4) como posibles reguladores de EXPA2. En esta tesis demostramos que FT1 y FT2 son activadores transcripcionales de EXPA2 in planta, y que ambos son capaces de homodimerizar y de interaccionar con proteínas DELLA. Además, FT1 interacciona con NAC25. Aunque al análisis funcional de sus pérdidas de función no permitió asignarles un papel relevante en condiciones estándar de germinación, las evidencias moleculares indican la posible existencia de eventos de control combinatorio que podrían ser reveladas en ausencia de redundancia génica y/o en presencia de condiciones ambientales específicas.
Por último, demostramos que la expresión de EXPA2 depende de una señal temprana proveniente del embrión y mostramos evidencias que sugieren que se requiere una expansión coordinada entre embrión y endospermo para proteger la integridad de las células del eje embrionario durante la germinación.
En conjunto, nuestros resultados demuestran un papel fundamental de los genes NAC-RGL2 en la señalización mediada por GAs en el endospermo conducente a la expansión celular en el endospermo y al control de la transición de semilla a plántula.
ABSTRACT
Seeds are fundamental organs for the survival and dispersal of plants and its germination is a critical process that determines crop yield. The endosperm has an important role in the control of germination, providing nutrients to the embryo. In addition, this tissue senses environmental conditions and integrates this information into signals that are transmitted to the embryo to control its growth. Gibberellins (GAs) have a fundamental role in germination, promoting the elongation of the embryo and the weakening of the endosperm cell walls, essential events in this proccess. Although our group had prevously characterised a regulatory module controlling embryo growth during germination, the molecular mechanisms regulating GA-responses and cell expansion in endosperm, as well as its relationship with the embryo, were unknown. The first objective of this thesis is the identification of new regulators involved in endosperm-specific GA signaling during seed germination, by using two complementary approaches based on phylogenetic analysis coupled with the screening of a library of transcription factors and in silico analysis of whole genome expression data during germination. The second part of this work focuses on determining the relevance of endosperm-specific GA signaling in seed germination.
Phylogenetic analysis of the marker gene EXPA2, wich is induced by GAs specifically in the endosperm during germination, allowed the identification of a functional element conserved in other species of bassicaceae (CS-EXPA2). We demostrate that CS-EXPA2 contains sequences recognized by the transcription factors NAC25 and NAC1L, both expressed in the endosperm, and indispensable for the transactivation and inducibility of the gen EXPA2 by GAs. NAC25 and NAC1L are able to form homo and heterodimers in planta and NAC25 interacts with the DELLA protein RGL2, a repressor of the GAs signaling mechanism. Such interaction avoids the transactivaction capacity of NAC25 on EXPA2. Functional analysis of the loss of function of NAC25 and NAC1L indicates that they are activators of transcription, mainly of genes encoding cell wall remodeling enzymes, and that its regulation is essential for cell elongation in the endosperm and subsequent germination.
In silico analysis of complete genome expression data, allowed the identification of four additional transcription factors expressed in the endosperm during germination (TF1-TF4) as potential regulators of EXPA2. In this thesis we show that TF1 and TF2 are transcriptional activators of EXPA2 in planta, and that both are able to homodimerize and interact with DELLA proteins. In addition, TF1 interacts with NAC25. Although the functional analysis of their loss of function did not allow them to be assigned a relevant role under standard germination conditions, molecular evidences indicate the possible existence of combinatorial control events that could be revealed in the absence of gene redundancy and/or in the presence of specific environmental conditions.
Finally, we demonstrate that EXPA2 expression depends on a early signal coming from the embryo and we show evidences suggesting that a corrdinated expansion between embryo and endosperm is required to protect embryo's radicle integrity during germination.
Taken as a whole, our results show a fundamental role of NAC25, NAC1L and RGL2 in GA-mediated signalling in the endosperm, driving endosperm cell expansion and controlling seed to seedling transition.