Auxin and cytokinin interactions regulate primary vascular patterning during root development in Arabidopsis thaliana

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2134-9
Title: Auxin and cytokinin interactions regulate primary vascular patterning during root development in Arabidopsis thaliana
Author: El-Showk, Sedeer
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences
Institute of Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-05-30
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2134-9
http://hdl.handle.net/10138/161563
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The evolution of vascular tissues was a critical innovation in the colonization of land by plants. We investigated how vascular tissues, in particular xylem, are patterned in the root of the model plant Arabidopsis. The vascular tissues of the Arabidopsis root tip are consistently patterned as a xylem axis flanked by procambial cells, with phloem poles developing perpendicular to the xylem axis. Cytokinin signalling inhibits the specification of protoxylem; the AHP6 gene inhibits cytokinin signalling at the protoxylem position during normal vascular development. We sought to understand the factors regulating AHP6 expression in the root tip. Cytokinin signalling is known to flank the xylem axis; we discovered a complementary domain of auxin signalling throughout the xylem axis. Based on this, we showed that auxin upregulates AHP6, creating a domain of low cytokinin signalling, and also acts to specify protoxylem. We used a combination of mutants and pharmacological treatments to investigate how mutually exclusive auxin and cytokinin signalling domains are maintained in the Arabidopsis stele. We discovered a feedback loop between the hormones, in which cytokinin activates auxin exporters, while auxin represses cytokinin signalling. The mutual inhibition between auxin and cytokinin regulates the extent of their domains during vascular patterning. We turned to computational simulations to investigate the sufficiency, stability, and dynamics of this network. Our simulations confirmed that the network is sufficient to maintain the hormone domains during vascular patterning, but also revealed a role for auxin importers, which we confirmed through experiments. While cytokinin is frequently thought to form gradients guiding developmental processes in the Arabidopsis shoot and root, we showed that an informative cytokinin gradient cannot form on the scale of these tissues via diffusion. While auxin is patterned through the activity of polarly localised transporters, there is no evidence for similar transport of cytokinin. Nevertheless, our findings highlight the need for a cytokinin patterning mechanism, such as directed cytokinin transport or patterning of the cytokinin perception machinery, since diffusion cannot form the observed cytokinin patterns. Finally, we discovered a potential link between the auxin-cytokinin feedback loop in the root tip and the initiation of lateral roots. Since our experimental data are equivocal on whether or not PIN1 is polarly localised in the procambium, we investigated both possibilities in our computational model. We discovered that polar localisation of PIN1 results in a regular flux of auxin towards the centre of the stele and back out via the xylem axis. This circuit privileges pericycle cells flanking the xylem axis to accumulate auxin if they experience a brief activation of an auxin importer; activation of the importer AUX1 in the xylem-pole pericycle cells is one of the earliest steps in lateral root initiation. Altogether, my thesis reveals a key role for mutually inhibitory auxin-cytokinin interactions in vascular development and links these findings to other developmental contexts. This work also demonstrates how the combination of experimental & computational approaches enables us to critically evaluate our models and develop more general insights.Johtosolukon evoluutio oli tärkeä askel kasvien siirtyessä vedestä maalle. Tutkimme, miten juuren johtosolukot muodostuvat mallikasvissa Arabidopsisissa, eli lituruohossa. Johtosolukot lituruohon juuren kärjessä ovat ksyleemi (puu), nila ja esijälsi. Ksyleemisolut sijaitsevat säännönmukaisesti rivissä juuren keskellä ja esijälsi ksyleemi- ja nilasolujen välissä. Sytokiniinisignalointi estää alkuksyleemin määrittelyn. Juuren kehittyessä, AHP6-geeni normaalisti ehkäisee sytokiniinisignalointia alkuksyleemissä. Kysyimme, mitkä tekijät säätelevät AHP6:n ilmentymistä juuren kärjessä. Sytokiniinisignaloinnin alue on ksyleemin rivin viereisissä soluissa ja me havaitsimme, että auksiinisignalointi on ksyleemin rivissä. Näin ollen, auksiinisignalointi ja sytokiniinisignalointi ovat toisensa poissulkevia juuren poikkileikkauksessa. Osoitimme, että auksiini edistää AHP6:n ilmentymistä ja alkuksyleemin määrittymistä. Sytokiniinisignalointia ei tapahdu AHP6:n ilmentymisen alueella. Tutkimme mutanttien ja lääkkeiden avulla miten auksiini- ja sytokiniinisignaloinnin toisensa poissulkevat alueet ylläpidetään litruohon juuren kärjessä. Havaitsimme takaisinkytkennän, joka säätelee kasvihormonien ilmentymisalueita. Sytokiniini lisää auksiinin poistamista soluista, kun taas auksiini ehkäisee sytokiniinisignalointia edistämällä AHP6:a. Siten auksiinin ja sytokiniinin molemminpuolinen estäminen säätelee näiden kasvihormonien ilmentymisalueita johtosolukon muodostuessa. Käytimme tietokonesimulaatioita tutkiaksemme geneettisen verkon vakautta, riittävyyttä ja dynamiikkaa. Simulaatiomme vahvistivat, että verkko on riittävä ylläpitämään kasvihormonien alueita johtosolukon muodostuessa. Simulaatiot osoittivat myös, että auksiinin tuonti soluihin vaikuttaa johtosolukon kehitykseen, ja vahvistimme tuonnin merkityksen kokeilla. Lisäksi, vaikka on ehdotettu että sytokiniinin gradientit ohjaavat kehitystä lituruohon varsissa ja juurissa, osoitimme, että sytokiniinin gradientti ei voi muodostua näiden solukoiden mittakaavassa diffuusiolla. Auksiinin liikkuminen tapahtuu polaarisilla kuljetusjärjestelmillä, mutta sytokiniinin kuljetusjärjestelmiä ei vielä ole selvitetty. Tuloksemme osoittavat, että havaittujen sytokiniinikuvioiden muodostuminen vaativat mekanismin, esimerkiksi suunnattu sytokiniinin kuljetus tai erilainen sytokiniinisignalointi eri soluissa, koska havaitut sytokiniin kuviot eivät voi muodustua ainoastaan diffuusiolla. Havaitsimme myös, että auksiini-sytokiniini takaisinkytkentä juuren kärjessä voisi mahdollisesti vaikuttaa versojuurien kehityksen initiaatioon. Koetuloksemme eivät selvästi osoita, onko PIN1-proteiinin (joka poistaa auksiinin soluista) sijainti esijälsisoluissa polaarinen vai ei. Siksi tutkimme molempia mahdollisuuksia simulaatioilla, ja havaitsimme, että kuljetusjärjestelmän polaarinen sijainti aiheuttaa ensin säännöllistä virtausta juuren keskukseen ja sitten pois ksyleemin kautta. Virtaus suosii auksiinin kertymistä lieriökettosoluihin ksyleemin vieressä, jos auksiinipitoisuus näissä soluissa nousee lyhyesti. Tässä väitöskirjassa on kerrottu, että auksiinin ja sytokiniinin molemminpuolinen estäminen on tärkeä tekijä johtosolukon muodostumiselle ja että se vaikuttaa myös muihin kehitysprosesseihin. Havainnollistimme myös, että kokeelliset ja laskennalliset menetelmät yhdessä auttavat mallien arvioinnissa ja oivalluksien tekemisessä.
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
auxinand.pdf 16.74Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record