Tesis:
Indole-3-acetamide as a hub connecting abiotic stress responses and growth in Arabidopsis thaliana
- Autor: ORTIZ GARCÍA, Paloma
- Título: Indole-3-acetamide as a hub connecting abiotic stress responses and growth in Arabidopsis thaliana
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73429/
- Director/a 1º: POLLMANN, Stephan
- Resumen: In this work, employing the model plant Arabidopsis thaliana, the connection between growth and abiotic stress responsiveness was studied from the perspective of phytohormone crosstalk, defined as “signal integration with input from more than one hormone within a response network, affecting a common biological output” (Chandler, 2009). Here, output is the growth-defense trade-off, in which “plants allocate their limited resources either to development or defense against abiotic or biotic stresses” (Herms and Mattson, 1992). In particular, the two molecules involved in said crosstalk are indole-3-acetamide (IAM) and abscisic acid (ABA). The latter is a widely accepted abiotic stress hormone, while the former is a precursor of the major auxin in plants, indole-3-acetic acid (IAA). In Arabidopsis, IAM is metabolized to IAA by the virtue of the IAM amidohydrolase AMIDASE 1 (AMI1).
The objectives of this dissertation have been to: (1) further research regarding a possible role for AMI1 in controlling the pool of IAM as a specific hormone-like molecule on its own, and its corresponding functions in triggering physiological responses; (2) explore the molecular mechanism connecting growth and abiotic stress responses, through IAM-ABA crosstalk; and (3) study the role of IAM via its gene expression modulation, specifically, of transcription factors (TFs) and other genes responsive to varying hormone concentrations.
In order to achieve these objectives, the transcriptome of the defective ami1-2 mutant was studied in depth, and three target genes derived from this, which code for TFs, were further explored as case-studies: TINY, from the AP2/ERF family, as well as MYB74 and MYB102, two R2-R3 MYB members. Their effects on plant phenotypes were investigated by using mutant lines in Arabidopsis.
As main conclusions, this dissertation supports the notion of IAM functioning as a connecting hub between growth and abiotic stress, since its accumulation leads to activation of abiotic stress responses. Regarding this, osmotic stress suppresses AMI1 expression and, in turn, IAM accumulation induces ABA biosynthesis, through NCED3 induction. Further substantiating this hypothesis, transgenic lines harboring an ABAresponsive gene reporter system respond positively to IAM application. Additionally, IAM accumulation positively regulates seed germination and seedling development under osmotic stress, via ABA.
As for the target TFs, TINY, induced by IAM accumulation, has a novel function in the crosstalk between IAM-ABA under abiotic stress conditions, since AMI1 is inhibited in those situations. The TINY TF activates responses to drought and osmotic stress. The negative effect of IAM on growth regulation via TINY and its positive effect on abiotic stress responsiveness support the idea that the IAM–TINY link is involved in the growthabiotic stress trade-off. Moreover, TINY plays a role in early germination-related processes and seed size determination, processes to which ABA and IAM contribute, and does so without modification of seed maturation. As for the MYB members, MYB102 is predicted to have a different protein structure than its closest phylogenetic homolog, MYB74. The structural difference is assumed to functionally distinguish the two factors. In this, MYB102 contributes to early seedling abiotic stress tolerance and to correct seed development, in part through the control of the TFs PEI1 and TEGUMENTA. Regarding MYB74, its overexpression translates into a substantial growth retardation, both in seedlings and adult Arabidopsis plants. After in-depth characterization, this dissertation describes that MYB74 is a transcriptional network hub integrating both growth and abiotic defense signaling, regulated by IAM accumulation and ABA, this being both IAMdependent and IAM-independent. MYB74, in turn, regulates responses such as drought, heat, reproductive transition and salt stress.
RESUMEN
En este trabajo, en la planta modelo Arabidopsis thaliana, se estudia la conexión entre crecimiento y respuesta al estrés abiótico desde la perspectiva del “crosstalk” fitohormonal, definido como la “integración de señales con entrada de más de una hormona dentro de una red de respuestas, que afectan a una salida biológica común” (Chandler, 2009). Aquí, esta es el “trade-off” crecimiento-defensa, en el cual “las plantas derivan sus recursos limitados ya sea al desarrollo o a la defensa contra estreses bióticos o abióticos” (Herms and Mattson, 1992). En particular, las dos moléculas implicadas son indol-3-acetamida (IAM) y ácido abscísico (ABA). Esta última es conocida como hormona de estrés abiótico, mientras que la primera es un precursor de la principal auxina en plantas, ácido indol-3-acético (IAA). En Arabidopsis, IAM se metaboliza a IAA mediante la amidohidrolasa AMIDASE 1 (AMI1).
Los objetivos de esta tesis doctoral han sido: (1) investigar un posible papel de AMI1 en el control de IAM como una molécula tipo hormona en sí misma, y sus correspondientes funciones en respuestas fisiológicas; (2) explorar el mecanismo molecular que conecte el crecimiento y las respuestas a estrés abiótico a través del crosstalk IAM-ABA; y (3) estudiar el papel de IAM vía modulación de la expresión génica, específicamente, de factores de transcripción (TFs) y otros genes que respondan a concentraciones hormonales variables. Para alcanzarlos, el transcriptoma del mutante ami1-2 se exploró en profundidad, así como tres genes diana que derivan del mismo, que codifican para TFs, como casos particulares: TINY, de la familia AP2/ERF, y MYB74 y MYB102, dos miembros MYB R2- R3. Sus efectos fenotípicos se investigaron usando líneas mutantes en Arabidopsis.
Como conclusiones principales, esta tesis apoya la noción de que IAM funciona como un nodo conector de crecimiento y estrés abiótico, ya que su acumulación conlleva la activación de respuestas de estrés abiótico. Este suprime la expresión de AMI1 y, en consecuencia, la acumulación de IAM induce biosíntesis de ABA a través de la inducción de NCED3. En apoyo de esta hipótesis, líneas transgénicas con un sistema de gen reportero para ABA responden positivamente a la aplicación de IAM. Adicionalmente, la acumulación de IAM regula positivamente la germinación de la semilla y el desarrollo de la plántula bajo estrés abiótico, vía ABA.
Con respecto a los TFs diana, TINY, inducido por acumulación de IAM, tiene una nueva función en el crosstalk hormonal ABA-IAM bajo condiciones de estrés abiótico, ya que AMI1 está inhibido en estas situaciones. TINY activa respuestas a sequía y estrés osmótico. El efecto negativo de IAM en la regulación del crecimiento vía TINY y su efecto positivo en la respuesta a estrés abiótico apoyan que el link IAM-TINY esté implicado en el trade-off entre crecimiento y estrés abiótico. Además, TINY tiene un papel en procesos relacionados con la germinación temprana y la determinación del tamaño de la semilla, procesos a los cuales contribuyen IAM y ABA, y lo hace sin modificar la maduración de la semilla. Con respecto a los MYB, se predice que MYB102 tiene una estructura proteica diferente a la de su homólogo filogenético más cercano, MYB74, y la diferencia estructural distingue ambos TFs en su función. Así, MYB102 contribuye a la tolerancia a estrés abiótico en plántula temprana y al correcto desarrollo de la semilla, en parte por su control de los TFs PEI1 y TEGUMENTA. Con respecto a MYB74, su sobreexpresión se traduce en un sustancial retraso del crecimiento, en plántulas y plantas adultas de Arabidopsis. Tras una caracterización en profundidad, esta tesis describe que MYB74 es un nodo de red transcripcional, que integra señalización tanto en crecimiento como en defensa abiótica, regulado por acumulación de IAM y ABA, esta siendo tanto dependiente como independiente de IAM. MYB74, consecuentemente, regula respuestas a la sequía, al calor, al estrés salino y la transición reproductiva.