The role of cysteine-rich receptor-like protein kinases in ROS signaling in Arabidopsis thaliana

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN: 978-951-51-1778-6
Title: The role of cysteine-rich receptor-like protein kinases in ROS signaling in Arabidopsis thaliana
Author: Idänheimo, Niina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Kasvibiologia
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: YEB - URN:ISSN: 2342-5431
Abstract: Responses to environmental changes are mediated via complex signaling networks in plants. Overlapping signaling pathways guarantee information flow from many simultaneous stress factors leading to both synergistic and antagonistic responses in order to maintain the most optimal conditions for growth under non- or suboptimal conditions. Adaptation to stressful environmental conditions is based on flexible interactions between hormone and reactive oxygen species (ROS) signaling. During the recent years researchers have started to understand the complexity of the crosstalk needed for stress tolerance. However, there are still many fundamental questions unanswered. For example, how are the intertwined signal transduction networks regulated, and how are ROS sensed and signaling specificity achieved? Receptor-like protein kinases (RLKs) are plasma membrane proteins which have a role in signal sensing. RLKs have been linked to many different physiological processes, such as plant development, pathogen defense and abiotic stress response. RLKs are involved in ROS signaling and it has been suggested that members of the cysteine-rich protein kinase (CRK) subfamily could be involved in direct ROS sensing due to the redox regulation possibilities in their extracellular protein domain. The large number of CRKs and their protein similarity suggests partly overlapping functions and possibilities for fine-tuning the stress responses. In this study, Arabidopsis CRKs, especially CRK6 and CRK7, have been characterized and their involvement in ROS signaling studied. Based on the presence of conserved kinase subdomains, this study suggests that Arabidopsis CRKs are active kinases and verifies kinase activity for CRK6 and CRK7 in vitro. This study shows that in addition to stress responses, as previously suggested, CRKs are involved also in many important developmental processes, such as germination and senescence. This novel finding broadens our understanding of the role of CRKs in plants. Despite the observed redundancy in crk phenotypes due to sequence similarity, some crk mutants, such as crk2 and crk5, showed clear individual phenotypes suggesting specific functions for these CRKs. crk6 and crk7 phenotypes were partly disguised by redundancy effect. Based on the obtained results and proposed redox regulation possibilities of CRK ectodomain, it can be proposed that CRKs are essential regulatory elements of cellular redox circuits that relay environmental information to the cell. Therefore the role of CRKs in cellular crosstalk is essential for maintaining the delicate balance between growth and defense. The loss of CRK function disrupts the information flow and leads to impaired stress tolerance. Thus, the obtained results suggest protective roles for CRKs. Furthermore, the large number of CRKs and their specific yet partly overlapping functions could bring operational reliability to the signal transduction and suggests specificity and fine tuning opportunities for signal transduction.Kasvien sopeutuminen alati muuttuviin ympäristöolosuhteisiin vaatii jatkuvia muutoksia kasvien metaboliassa ja kuluttaa energiaa, minkä takia puhutaan stressistä ja stressinsietokyvystä, kun viitataan siihen kuinka hyvin kasvit pystyvät sopeutumaan muutoksiin. Kasvisolujen pinnalla olevat reseptorit toimivat ikään kuin kasvien silminä ja korvina välittäen tietoa ympäröivästä maailmasta. Reseptorit aistivat myös kasvin sisäistä tilaa ja kasvin vaste ympäristöolosuhteiden muutoksiin riippuu aina myös kasvin fysiologisesta tilasta ja kehitysvaiheesta. Päällekkäiset viestinvälitysreitit takaavat tiedonkulun useasta samanaikaisesta eri lähteestä mahdollistaen vastakkaistenkin viestien kulun, mikä johtaa parhaaseen mahdolliseen kasvuun epäoptimaalisissakin olosuhteissa. Reaktiiviset happiyhdisteet (ROS) toimivat viestinvälitysmolekyyleinä ja muutokset ympäristöolosuhteissa, niin kuin kasvin kehityksessä, aistitaan ROS molekyylien aiheuttamien hapetus-pelkistystilojen muutoksina, jotka johtavat paikallisiin solunsisäisiin vasteisiin, mutta jotka voivat johtaa myös laajempiin koko kasvin käsittäviin vasteisiin. ROS molekyyleihin perustuva viestintäjärjestelmä on vuorovaikutuksessa hormonaalisen viestintäjärjestelmän kanssa ja yhdessä nämä viestintäjärjestelmät koordinoivat kasvien kasvua ja sopeutumista. Reseptorityyppiset proteiinikinaasit (RLK:t) ovat solukalvolla olevia proteiineja, jotka aistivat monenlaisia viestejä. RLK proteiinit ovat mukana monessa erilaisessa fysiologisessa tapahtumassa, kuten kasvien kehityksessä, patogeenipuolustuksessa ja (a)bioottisessa stressivasteessa. RLK proteiinien on todettu osallistuvan ROS-välitteiseen viestintään ja on ehdotettu, että RLK proteiiniperheeseen kuuluvat kysteiini-rikkaat proteiinikinaasit (CRK:t) voisivat aistia hapetus-pelkistystilojen muutoksia solunulkoisella osallaan. CRK proteiinien suuri lukumäärä ja proteiinien samankaltaisuus antaa viitteitä osittain päällekkäisistä tehtävistä ja stressivasteiden hienosäätömahdollisuuksista. Tässä tutkimuksessa tutkittiin lituruohon (Arabidopsis thaliana) CRK proteiinien, erityisesti CRK6 ja CRK7 proteiinien, ominaisuuksia ja niiden yhteyttä ROS-välitteiseen viestinvälitykseen. Tämä tutkimus osoitti, että lituruohon CRK6 ja CRK7 proteiinit ovat aktiivisia kinaaseja in vitro olosuhteissa ja ennustaa konservoituneiden kinaasialueiden perusteella kinaasiaktiivisuutta myös muille CRK proteiineille. Lisäksi tämä tutkimus osoitti että, stressiviestinvälityksen lisäksi CRK proteiineilla on tärkeä tehtävä myös useassa kasvinkehitykseen ja kasvuun liityvässä viestinvälitystehtävässä, kuten itämisessä, ikääntymisessä ja ilmarakojen säätelyssä. CRK proteiinien puutos johti usean CRK:n kohdalla stressinsietokyvyn laskuun. Tulosten perusteella voidaan päätellä, että CRK proteiinin puuttuminen katkaisee tärkeän viestinvälitysketjun ja johtaa puutteelliseen tiedonsaantiin ja täten virheelliseen vasteeseen. Tulosten mukaan CRK proteiinit suojaavat lituruohoa usealta ympäristön aiheuttamalta stressiltä mahdollistamalla stressiviestin kulkeutumisen solun sisälle ja edelleen tumaan, missä lopullinen päätös solun vasteesta tehdään.
URI: URN:ISBN: 978-951-51-1778-6
http://hdl.handle.net/10138/158773
Date: 2015-12-18
Subject: kasvibiologia
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
roleofcy.pdf 1.305Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record