Optimal response to drought is critical for plant survival and will affect biodiversity and crop performance during climate change. Mitotically heritable epigenetic and dynamic chromatin state changes have been implicated in the plant response to the drought stress hormone abscisic acid (ABA). The Arabidopsis SWI/SNF chromatin-remodeling ATPase BRAHMA (BRM) modulates response to ABA by preventing premature activation of stress response pathways during germination. Here, we show that the core ABA signalosome formed by ABA receptors, PP2Cs and SnRK2s physically interact with BRM to regulate BRM activity and post-translationally modify BRM by phosphorylation/dephosphorylation. Genetic evidence suggests that BRM acts downstream of SnRK2.2/2.3 kinases and biochemical studies identified evolutionary conserved SnRK2 phosphorylation sites in the C-terminal region of BRM. Our data suggest that SnRK2-dependent phosphorylation of BRM leads to its inhibition, and PP2CA-mediated dephosphorylation of BRM restores the ability of BRM to repress ABA response.
ABA plays a key role to regulate germination and post-germination growth and the AP2-type ABI4 and bZIP-type ABI5 transcription factors (TFs) are required for ABA-mediated inhibition of post-germination growth when the embryo encounters water stress. The growth arrest induced by ABI4 and ABI5 involves ABA signaling and in the case of ABI5, it has been demonstrated that ABA inhibits the activity of BRM to induce ABI5 transcription. Loss of BRM activity leads to destabilization of a nucleosome involved in repression of ABI5 transcription. Therefore reduction of BRM activity in the brm-3 allele leads to enhanced expression of ABI5 in 2-d-old seedlings and enhanced sensitivity to ABA. Novel genetic evidence obtained in this work indicates that ABI4 is one of the redundant TFs regulated by BRM that mediate ABA response during germination and early seedling growth. Thus, the association of BRM with the ABI4 locus together with the observed derepression of ABI4 expression in brm-3 suggests that BRM directly regulates ABI4 expression.
Finally, this work provides a direct link between the ABA signalosome and the chromatin-remodeling ATPase BRM, which enables ABA-dependent modulation of BRM activity as a possible mechanism to enhance plant drought tolerance. Additionally, we identified and characterized the promoter of PP2CA as a stress-inducible promoter and we have used it to drive the expression of ABA receptors from Arabidopsis and Solanum lycopersicum. This technology appears to be promising for the expression of ABA receptors in an inducible manner and to generate drought tolerant plants. / La respuesta óptima a la sequía es crítica para la supervivencia de las plantas y afectará a la biodiversidad y al rendimiento de los cultivos durante el cambio climático. Las modificaciones epigenéticas y los cambios dinámicos del estado de la cromatina han sido implicados en la respuesta de la planta al ácido abscísico (ABA), la conocida como la hormona del estrés hídrico. La ATPasa remodeladora de cromatina de tipo SWI/SNF de Arabidopsis, BRAHMA (BRM), modula la respuesta al ABA mediante la prevención de la activación prematura de las vías de respuesta al estrés durante la germinación. Aquí, mostramos que el núcleo del señalosoma de ABA formado por los receptores de ABA, las PP2Cs y las SnRK2s interaccionan físicamente con BRM para regular su actividad y modificarla post-traduccionalmente por mecanismos de fosforilación/desfosforilación. La evidencia genética sugiere que BRM actúa aguas abajo de las quinasas SnRK2.2/2.3 y los estudios bioquímicos identificaron la presencia en la región C-terminal de BRM de sitios de fosforilación de las SnRK2 que estaban conservados evolutivamente. Nuestros datos sugieren que la fosforilación de BRM que depende de las SnRK2 conduce a su inhibición, y que la desfosforilación de BRM mediada por PP2CA restaura la capacidad de BRM para reprimir la respuesta a ABA.
El ABA juega un papel clave en la regulación de la germinación y el crecimiento post germinativo y los factores de transcripción de tipo AP2 como ABI4 y de tipo bZIP como ABI5, son necesarios para la inhibición del crecimiento post germinativo mediado por ABA cuando los embriones encuentran estrés hídrico. La detención del crecimiento inducida por ABI4 y ABI5 implica la señalización de ABA y en el caso de ABI5, se ha demostrado que el ABA inhibe la actividad de BRM para inducir la transcripción de ABI5. La pérdida de actividad de BRM conduce a la desestabilización de un nucleosoma implicado en la represión de la transcripción de ABI5. Por lo tanto, la reducción de la actividad de BRM en el alelo brm-3 conduce a una mayor expresión de ABI5 en plántulas de 2 días y una mayor sensibilidad a ABA. La nueva evidencia genética obtenida en este trabajo indica que ABI4 es uno de los factores de transcripción redundantes regulados por BRM que median la respuesta a ABA durante los estadios de germinación y crecimiento temprano de las plántulas. La asociación de BRM con el locus ABI4, junto con la desrepresión de la expresión de ABI4 observada en el mutante brm-3 sugiere que BRM regula directamente la expresión de ABI4.
Por último, este trabajo proporciona una relación directa entre el señalosoma de ABA y la ATPasa remodeladora de cromatina BRM, que permite la modulación de la actividad de BRM de modo dependiente de ABA como un posible mecanismo para mejorar la tolerancia a sequía de las plantas. Además, hemos identificado y caracterizado el promotor de PP2CA como un promotor inducible por estrés y lo hemos utilizado para dirigir la expresión de los receptores de ABA de Arabidopsis y Solanum lycopersicum. Esta tecnología parece ser prometedora para la expresión de receptores de ABA de modo inducible y para generar plantas tolerantes a la sequía. / La resposta òptima a la sequera és crítica per a la supervivència de les plantes i afectarà la biodiversitat i al rendiment dels cultius durant el canvi climàtic. Les modificacions epigenètiques i els canvis dinàmics de l'estat de la cromatina han estat implicats en la resposta de la planta a l'àcid abscísic (ABA), la coneguda com hormona de l'estrès hídric. La ATPasa remodeladora de cromatina de tipus SWI/SNF d'Arabidopsis, BRAHMA (BRM), modula la resposta al ABA mitjançant la prevenció de l'activació prematura de les vies de resposta a l'estrès durant la germinació. Ací, mostrem que el nucli del senyalosoma d'ABA format pels receptors d'ABA, les PP2Cs i les SnRK2s interaccionen físicament amb BRM per regular la seva activitat i modificar-la post-traduccionalment per mecanismes de fosforilació/desfosforilació. L'evidència genètica suggereix que BRM actua aigües avall de les quinases SnRK2.2/2.3 i els estudis bioquímics van identificar la presència, a la regió C-terminal de BRM, de llocs de fosforilació de les SnRK2 que estaven conservats evolutivament. Les nostres dades suggereixen que la fosforilació de BRM que depèn de les SnRK2, condueix a la inhibició de BRM, i que la defosforilació de BRM mediada per PP2CA restaura la capacitat de BRM per reprimir la resposta a ABA.
El ABA juga un paper clau en la regulació de la germinació i el creixement post-germinació i els factors de transcripció de tipus AP2 com ABI4 i de tipus bZIP com ABI5, són necessaris per a la inhibició del creixement post-germinació mediat per ABA quan els embrions pateixen estrès hídric. La detenció del creixement induïda per ABI4 i ABI5 implica la senyalització d'ABA i en el cas d'ABI5, s'ha demostrat que l'ABA inhibeix l'activitat de BRM per induir la transcripció d'ABI5. La pèrdua d'activitat de BRM condueix a la desestabilització d'un nucleosoma implicat en la repressió de la transcripció d'ABI5. Per tant, la reducció de l'activitat de BRM a l'al·lel brm-3 condueix a una major expressió d'ABI5 en plàntules de 2 dies i una major sensibilitat a l'ABA. La nova evidència genètica obtinguda en aquest treball indica que ABI4 és un dels factors de transcripció redundants que són regulats per BRM que medien la resposta a l'ABA durant els estadis de germinació i creixement primerenc de les plàntules. Per tant, l'associació de BRM amb el locus ABI4, juntament amb la desrepressió de l'expressió de ABI4 observada al mutant brm-3 suggereix que BRM regula directament l'expressió d'ABI4.
Finalment, aquest treball proporciona una relació directa entre el senyalosoma d'ABA i l'ATPasa remodeladora de cromatina BRM, que permet la modulació de l'activitat de BRM de manera dependent d'ABA com un possible mecanisme per millorar la tolerància a sequera de les plantes. A més, hem identificat i caracteritzat el promotor de PP2CA com un promotor induïble per estrès i l'hem utilitzat per dirigir l'expressió dels receptors d'ABA d'Arabidopsis i Solanum lycopersicum. Aquesta tecnologia sembla ser prometedora per a l'expressió de receptors d'ABA de manera induïble i per generar plantes tolerants a la sequera. / Peirats Llobet, M. (2017). Fundamental and applied research in ABA signaling: Regulation by ABA of the chromatin remodeling ATPase BRAHMA and biotechnological use of the PP2CA promoter [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/82694 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/82694 |
| Date | 13 June 2017 |
| Creators | Peirats Llobet, Marta |
| Contributors | Rodríguez Egea, Pedro Luís, Universitat Politècnica de València. Departamento de Biotecnología - Departament de Biotecnologia |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0112 seconds