Interaction between Hormone and Apoplastic ROS Signaling in Regulation of Defense Responses and Cell Death

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1210-1
Title: Interaction between Hormone and Apoplastic ROS Signaling in Regulation of Defense Responses and Cell Death
Author: Xu, Enjun
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-06-12
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1210-1
http://hdl.handle.net/10138/154680
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Regulation of cellular homeostasis is crucial for proper development, survival, defense responses, programmed cell death and ultimately survival. Maintaining cellular homeostasis requires tight regulation of multiple highly interactive signaling pathways. The apoplast lies at the frontier between the cell and the environment, where the plant perceives environmental cues. Since the apoplast is also a site for cell-to-cell communication, it has an important role in mediating plant-environment interactions. Reactive oxygen species (ROS) are known as both toxic agents and indispensable signaling molecules in all aerobic organisms. A ROS burst in the apoplast is one of the first measurable events produced in response to different biotic and abiotic stresses, eventually leading to the initiation of signal transduction pathways and altered gene expression. Apoplastic ROS signaling is well known to dynamically coordinate multiple signaling pathways in the activation of defense responses in plants. Dissection of the signaling crosstalk within such a signaling network could therefore reveal the molecular mechanisms underlying defense responses. Treatments with ozone (O3) have been adopted as an efficient tool to study apoplastic ROS signaling. Plants exposed to O3 trigger a ROS burst in the apoplast and induce extensive changes in gene expression and alteration of defense hormones, such as salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), and ethylene. Genetic variation in O3 sensitivity among Arabidopsis thaliana accessions or mutants highlights the complex genetic architecture of plant responses to ROS. To gain insight into the genetic basis of apoplastic ROS signaling, a recombinant inbred line (RIL) population from a reciprocal cross between two Arabidopsis accessions C24 (O3 tolerant) and Tenela (O3 sensitive) was used for quantitative trait loci (QTL) mapping. Through a combination of QTL mapping and transcriptomic analyses in the response to apoplastic-ROS treatment, three QTL regions containing several potential candidate genes were identified in this study. In addition, multiple mutants with varying O3-sensitivities were employed to dissect the signaling components involved in the early apoplastic ROS signaling and O3-triggered cell death. A combination of global and targeted gene expression profiling, genetic analysis, and cell death assays was performed to dissect the contribution of hormone signaling and various transcription factors to the regulation of apoplastic ROS-triggered gene expression and cell death. The contributions of SA, JA and ethylene were assessed through analysis of mutants deficient in these hormones, mutants with constitutively activated hormone signaling and the exogenous application of hormones. Plants with elevated SA levels were found to be associated with an attenuated O3 response, whereas simultaneous elimination of SA-dependent and SA- independent signaling components enhanced the response to apoplastic ROS treatment. JA could act as both a positive and negative modifier of apoplastic ROS signaling, which was enhanced when ethylene signaling was also impaired. However, transcriptome analysis of a triple mutant deficient in SA, JA and ethylene revealed that these hormones signaling only contributed part (about 30%) of early-apoplastic ROS-triggered changes in gene expression, suggesting multiple signaling pathways could be required to regulate the apoplastic ROS response via combinatorial or overlapping mechanisms.Solutason homeostaasin säätely on tärkeää yksilönkehityksen, puolustusvasteiden, ohjelmoidun solukuoleman ja lopulta selviytymisen kannalta. Homeostaasin säilyttäminen vaatii useiden keskenään vuorovaikutteisten viestinvälitysreittien tarkkaa säätelyä. Apoplasti sijaitsee solun ja sen ympäristön välisellä rajalla, josta kasvi aistii ympäristön muutoksia. Lisäksi apoplastin kautta kulkee osa solujen välisestä viestinnästä, joten sillä on tärkeitä tehtäviä kasvin ja sen ympäristön välisessä vuorovaikutuksessa. Reaktiiviset happilajit (reactive oxygen species, ROS) tunnetaan sekä myrkyllisinä yhdisteinä että korvaamattomina viestintämolekyyleinä kaikissa happea tarvitsevissa eliöissä. Yksi ensimmäisistä havaittavista vasteista erilaisiin bioottisiin ja abioottisiin stresseihin on apoplastissa tapahtuva reaktiivisten happilajien purkaus (ROS- purkaus), joka johtaa viestinvälitysreittien aktivaatioon ja muutoksiin geenien ilmentymisessä. Apoplastissa tapahtuva ROS-viestintä koordinoi dynaamisesti useita viestinvälitysketjuja kasvin puolustusvasteiden aktivoinnin aikana. Viestinvälitysketjujen ristivaikutusten analyysi saattaa siten paljastaa puolustusvasteen molekyylimekanismeja. Kasvien käsittelyä otsonilla (O3) käytetään tehokkaana työkaluna apoplastisen ROS-viestinnän tutkimuksessa. Kasvin otsonikäsittely laukaisee apoplastissa ROS-purkauksen ja aikaansaa suuria muutoksia geenien ilmentymisessä ja puolustukseen liittyvissä hormoneissa, kuten salisyylihapossa, jasmiinihapossa ja etyleenissä. Lituruohon (Arabidopsis thaliana) perinnöllinen muuntelu otsoniherkkyydessä korostaa kasvien ROS-vasteiden monimutkaista geneettistä rakennetta. Tässä työssä apoplastisen ROS-viestinnän geneettistä taustaa selvitettiin kvantitatiivisiin ominaisuuksiin vaikuttavien lokusten (QTL) kartoittamisella kahden Arabidopsis-ekotyypin, C24 (otsonikestävä) ja Tenela (otsoniherkkä), välisessä risteytysjälkeläistössä. Yhdistelemällä apoplastisen ROS-käsittelyn vaikutuksen QTL- kartoitusta ja transkriptomin tutkimusta löydettiin kolme QTL-aluetta, joissa on useita kandidaattigeenejä. Apoplastisen ROS-viestinnän ja otsonin käynnistämän solukuoleman parempaa ymmärtämistä varten tutkittiin lisäksi useita mutanttilinjoja, jotka eroavat toisistaan otsoniherkyydeltään. Laajaa ja kohdistettua geenien ilmentymisen profilointia, geneettistä analyysiä ja solukuolemakokeita käytettiin erittelemään hormoniviestinnän ja useiden transkriptiotekijöiden vaikutusta reaktiivisten happilajien käynnistämään apoplastiseen geenien ilmenemiseen ja solukuolemaan. Salisyylihapon, jasmiinihapon ja etyleenin tehtäviä tutkittiin analysoimalla mutanttilinjoja, joilta kyseisten hormonien viestintä oli estetty tai tehostettu, sekä lisäämällä hormoneja kasveille ulkoisesti. Kasvien, joilla oli korkeammat salisyylihappotasot, huomattiin reagoivan otsoniin vaimeammin, kun taas samanaikainen salisyylihaposta riippuvan ja riippumattoman viestinnän estäminen voimisti vastetta apoplastiseen ROS-käsittelyyn. Jasmiinihappo toimi sekä positiivisena että negatiivisena säätelijänä apoplastisessa ROS-viestinnässä, ja sen toiminta tehostui, kun myös etyleeniviestintä oli vaimennettu. Toisaalta kolmoismutantin, jolta oli vaimennettu kaikkien kolmen edellä mainitun hormonin viestintä, transkriptomitason analyysi paljasti, että näiden hormonien kautta kulkeva viestintä vaikuttaa vain osaan (noin 30%) varhaisista geenien ilmentymisen muutoksista vasteena apoplastiseen ROS-viestintään. Tästä voidaan päätellä, että useat viestinvälitysketjut säätelevät apoplastista ROS-vastetta päällekkäisin mekanismein.
Subject: plant Biology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
interact.pdf 759.2Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record