Environmentally sensitive molecular switches control diurnal and seasonal growth in poplar

Triozzi, Paolo Maria (2019). Environmentally sensitive molecular switches control diurnal and seasonal growth in poplar. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.55854.

Description

Title: Environmentally sensitive molecular switches control diurnal and seasonal growth in poplar
Author/s:
  • Triozzi, Paolo Maria
Contributor/s:
  • Allona Alberich, Isabel
  • Perales, Mariano Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Biotecnología - Biología Vegetal
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las variaciones ambientales determinan el crecimiento estacional, las transiciones en el desarrollo y el comportamiento reproductivo de plantas y animales. Se conoce muy poco de cómo los organismos integran la información estacional a nivel molecular. En plantas perennes como el chopo, los ciclos anuales de crecimiento-dormancia garantizan la supervivencia y la reproducción sexual. Estos ciclos también determinan varias características de gran importancia económica, como la producción de biomasa y el rendimiento de los cultivos. El conocimiento de los mecanismos moleculares que dan origen a los eventos fenológicos anuales permite el diseño de estrategias biotecnológicas para mejorar la adaptación de los arboles frente al cambio climático. En los últimos años, se han realizado importantes avances en este campo de estudio. Se ha demostrado que varios reguladores de la floración de Arabidopsis participan en la regulación de la transición del período de crecimiento al período de dormancia en chopo. Estos genes actúan como interruptores sensibles a los cambios medioambientales controlando diversos aspectos de la fisiología y el desarrollo de los árboles. Sin embargo, se sabe poco sobre los mecanismos que participan en la aclimatación del chopo a las condiciones ambientales del otoño. Así mismo, todavía no se ha identificado la conexión entre la aclimatación otoñal del chopo y la regulación estomática. En esta tesis, se investiga el papel funcional del factor de transcripción RAV1, un ortólogo del represor floral TEMPRANILLO de Arabidopsis, durante la transición del período de crecimiento al período de dormancia invernal. Mostramos que RAV1 no reprime a FT2 ni desempeña un papel en la regulación del cese de crecimiento. Por lo tanto, la regulación fotoperiódica del crecimiento apical en chopo muestra características conservadas y diferentes con respecto a su función en la floración de Arabidopsis. Hemos identificado los genes controlados a nivel transcripcional por RAV1, lo que revela su implicación en la regulación estacional de la respuesta de la planta al estrés ambiental. También demostramos que RAV1 controla la expresión de los genes RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG D1 (RbohD1) y ETHYLENE RESPONSE FACTOR 72-1 (ERF72-1), que muestran una estrecha coexpresión con RAV1 en condiciones de días cortos y baja temperatura, además de durante la inducción otoñal. Las líneas de sobreexpresión de RAV1 mostraron niveles más altos de conductancia estomática, fotosíntesis y biomasa respecto a las plantas silvestres (WT). Por el contrario, las plantas con niveles de expresión mas bajos de RAV1 (RAV1kd) no mostraron diferencias con respecto al ecotipo silvestre. Además, demostramos que la sobreexpresión de RAV1 producía mas especies reactivas de oxigeno (ROS) en las células estomáticas y un cierre más rápido de las estomas después del tratamiento con la hormona ABA. Además, el tratamiento con el inhibidor DPI redujo parcialmente el cierre estomático dependiente de ABA, implicando de esta manera a la enzima RBOH en este proceso. Las medidas de conductancia estomática a lo largo del día en condiciones de día corto y baja temperatura demostraron que las plantas que sobreexpresan RAV1 tienen un movimiento estomático diurno más rápido y eficaz en comparación con las plantas WT y RAV1kd. En este trabajo, proponemos que la activación otoñal del RAV1 aumenta la actividad estomática diurna que contribuye a la aclimatación del chopo a las condiciones del otoño. Por otra parte, observamos que la transcripción de RbohD muestra ritmos diurnos en chopo y Arabidopsis. Es importante destacar que los ritmos diurnos del gen RbohD en Arabidopsis, generados por la integración de señales cíclicas endógenas y ambientales, contribuyen a la magnitud de la respuesta de defensa contra el ataque de patógenos. ----------ABSTRACT---------- Environmental variations determine seasonal growth, developmental transitions and reproductive behavior in plants and animals. How these organisms integrate seasonal information at the molecular level remain poorly understood. In perennial plants such as poplar, growth-dormancy cycles guarantee survival and sexual reproduction. They also determine several economically important traits, such as tree annual growth rate and yield. Understanding the molecular mechanisms underlying tree annual phenological events supports the design of strategies for tree biotechnology facing plant adaptation and acclimation to climate change. In the last years, important advances have been made in this field of study. Several regulators of Arabidopsis flowering have been shown to participate in the regulation of poplar growth to dormancy transition. These genes act as environmental sensitive switches controlling diverse aspects of tree annual development. One aspect little investigated is the regulation of poplar acclimation during autumnal season. Moreover, the link between poplar autumnal acclimation and stomatal regulation has not yet been identified. In this thesis, the functional role of RAV1 transcription factor, a poplar ortholog to the Arabidopsis floral repressor TEMPRANILLO/RELATED TO ABI3 AND VP1 (TEM/RAV1), is investigated during the transition from growth to dormancy period. We found that RAV1 neither represses FT2 nor plays a role in the regulation of growth cessation, therefore photoperiodic regulation of shoot growth in poplar show conserved and distinct features respect to Arabidopsis flowering. Through a reverse genetic approach, we identified genes transcriptionally controlled by RAV1, revealing its implication in the seasonal regulation of plant response to environmental stresses. We found that RAV1 control the expression of RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG D1 and ETHYLENE RESPONSE FACTOR 72-1, showing a tightly coexpression under short days and low ambient temperature and that showed autumnal induction. RAV1 overexpressing lines showed higher levels of stomatal conductance, photosynthesis, and biomass than wild-type and RAV1 knockdown plants. We showed that an increased guard cell-ROS burst in hybrid poplar RAV1 overexpressing plants is associated with faster stomatal closure after ABA treatment. DPI treatment partially reduced ABA-dependent stomatal closure implicating the RBOH enzyme. Time course changes in stomatal conductance under short days and low ambient temperatura conditions indicated that RAV1 overexpressing plants showed faster diurnal stomatal movement in comparison with wild-type and RAV1 knock down lines. We propose that seasonal activation of RAV1 increases the diurnal stomatal activity contributing to poplar acclimation during autumn. Moreover, we found that RbohD transcription shows diurnal rhythms in poplar and Arabidopsis. Importantly, RbohD gene diurnal rhythms in Arabidopsis, generated by integrating endogenous and environmental cyclic signals, contribute to the magnitude of defense response against pathogen attack.

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Item ID: 55854
DC Identifier: http://oa.upm.es/55854/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:55854
DOI: 10.20868/UPM.thesis.55854
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 11 Sep 2019 07:20
Last Modified: 11 Sep 2019 07:35
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