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Tesis:

Molecular and physiological analyses of DOF/TCP factors in Systemic Nitrogen Signaling in Arabidopsis

  • Autor: YANG, Lu

  • Título: Molecular and physiological analyses of DOF/TCP factors in Systemic Nitrogen Signaling in Arabidopsis

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS

  • Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/77361/

  • Director/a 1º: MEDINA ALCÁZAR, Joaquin

  • Resumen: Nitrate is an essential macronutrient and signal molecule that regulates the expression of a number of genes involved in plant growth, distribution and crop productivity. However, it is usually limiting in most of the ecosystems, due a multiple biotic and abiotic factors like microbial activity, water leaching and soil erosion. Nitrate is also a signal molecule that regulates the expression of a variety of genes that modulate many aspects of metabolism, growth and plant development. However, the availability of nitrate in the soil is mostly heterogeneous in space and time. For this reason, root plants evolved the ability to forage for nitrogen (N) in low-N conditions, growing longer primary and lateral roots to find nutrients in the surrounding area but specifically in nutrient-rich zones (local signaling). This phenomenon is enhanced when limited internal nutrient availability (systemic signaling). Indeed, plants sense changes in their nutritional status and respond to these by adjusting the growth and development of their roots. This adaptative response in plants relies on dual regulation of local and long-distance (systemic) N signaling. It has been described that small peptides like C-TERMINALLY ENCODED PEPTIDEs (CEPs) and CEPDS and phytohormone cytokinin are important components of N systemic signaling. In this work, we investigate the role of the CDF transcription factors in plant responses to N availability. It has been shown that CDF3 expression levels change in response to N treatments. Phenotypic analyses of different CDF3 loss- and gain- of function lines revealed that CDF3 exhibit important effects in root architecture and plant growth under different N treatments. Root elongation assays in homogenous and heterogeneous N conditions of loss-of-function Arabidopsis mutants of CDF3 showed normal primary and lateral root growth on homogenous nitrate media but impaired in preferential lateral root growth (root foraging) on heterogeneous media in split-root plates. Consistently, the expression levels of the nitrate transporter NRT2.1 and nitrite reductase NiR1 genes, N systemic molecular markers, are altered in the cdf3 plants. Phenotypic and genetic analysis of performed with multiple mutants obtained among CDF3 and NRT1.1 and TCP20 components involved in N systemic signaling, have shown that CDF3 gene is downstream of NRT1.1 in the N systemic pathway, and that CDF3 and TCP20 play an important, but different role, in response to nitrate. Comparative transcriptomic analysis of roots of cdf3-1 and tcp20-1 plants grown under split root conditions indicated that both factors regulated independent groups of genes in the N demand signaling but partially overlapping groups of genes in the N supply pathway. Among them it was identified a group of genes involved in cytokinin metabolism (IPTs, CKXs, ABCG) as well as a group of CEPD glutaredoxins (CEPDL1, ROXYs), thus suggesting that both transcription factors may play a significant role in N systemic signaling trough both components. Notably, root length assays showed that cdf3 and tcp20 mutants are insensitive to tZ suggesting both factors play a role in CK-mediated systemic signaling, All these results indicate that CDF3 plays a key role in the N systemic signaling pathway that controls nitrate foraging by roots and suggest that it could be a tool to improve nutrient use efficiency (NUE) in crops. RESUMEN El nitrato es un macronutriente esencial y una molécula señalizadora que regula la expresión de una serie de genes implicados en el crecimiento, la distribución y la productividad de las plantas. Sin embargo, suele ser un elemento limitante en la mayoría de los ecosistemas, debido a múltiples factores bióticos y abióticos como la actividad microbiana, la lixiviación del agua y la erosión del suelo. El nitrato, además es una molécula de señal que regula la expresión de una variedad de genes que modulan múltiples aspectos del metabolismo, el crecimiento y el desarrollo de las plantas. Además, la disponibilidad de nitrato en el suelo es muy compleja debido a que se encuentra mayoritariamente de forma heterogénea en el espacio y el tiempo. Por esta razón, las plantas han desarrollado estrategias para aumentar eficiencia en la búsqueda de nitrógeno (N) en el suelo, entra las que se encuentra el desarrollo de raíces primarias y laterales más largas específicamente en las zonas del suelo ricas en nutrientes. Estas respuestas se ven favorecidas cuando se producen condiciones de limitación de disponibilidad interna de nitrógeno en planta (vías de señalización sistémica). De hecho, las plantas perciben los cambios en estado nutricional en los distintos órganos y responden al mismo ajustando el crecimiento y desarrollo de sus raíces. Esta respuesta adaptativa se basa en la integración de las señales que provienen tanto de vías de señalización de N locales, cerca de la raíz, como de larga distancia (sistémicas) que provienen de los distintos órganos de la planta. En este sentido, se ha descrito que péptidos pequeños C-TERMINALLY ENCODED PEPTIDEs (CEPs), CEP DOWNSTREAM (CEPD) glutaredoxinas y fitohormonas como la citoquinina como componentes importantes de la señalización sistémica de N en plantas. En este trabajo, se ha analizado el papel de los factores de transcripción CDF y TCP de Arabidopsis en las respuestas de las plantas a la disponibilidad de N. Específicamente, se ha demostrado que los niveles de expresión de CDF3 cambian en respuesta a tratamientos con N. Los análisis fenotípicos de diferentes líneas de función de pérdida y ganancia de CDF3 revelaron que promueve efectos importantes en la arquitectura de la raíz y el crecimiento de la planta bajo diferentes tratamientos de N. Además, ensayos de elongación de la raíz utilizando mutantes de Arabidopsis de pérdida de función para CDF3, mostraron una respuesta de la raíz primaria y lateral similar al control en medios homogéneos de nitrato, pero alterado el crecimiento preferencial de raíces laterales (estrategia de búsqueda de N por la raíz) en medios heterogéneos de N. Consistentemente, los niveles de expresión del transportador de nitrato NRT2.1 y de nitrito reductasa NiR1, reconocidos marcadores moleculares sistémicos de N, están alterados en el mutante cdf3-1. Además, análisis fenotípicos y genéticos realizado con múltiples mutantes obtenidos entre los componentes CDF3, NRT1.1 y TCP20 involucrados en la señalización sistémica de N, ha demostrado que el gen CDF3 se encuentra bajo el control del sensor de Nitrato NRT1.1, y que CDF3 y TCP20 juegan un papel importante, pero diferente, en respuesta a nitrato. En este sentido, análisis transcriptómicos de los mutantes bajo condiciones homogéneas y heterogéneas de disponibilidad de N, mostraron que ambos factores regulan la expresión tanto de grupos comunes como independientes de genes en la vía señalización sistémica de demanda de N, y en la vía de señalización de sistémica desuministro de N. Entre ellos se identificaron grupos de genes involucrados en el metabolismo de citoquininas y distintas glutaredoxinas, lo que sugiere que ambos factores pueden desempeñar un papel importante en la señalización sistémica del N a través de estos componentes.