Auxin coordinates cell division and cell fate specification during lateral root initiation

Met behulp van hun wortels zijn planten in staat zich te verankeren in de bodem, waar ze ook dienen voor de opname van water en nutriënten en verankering in de bodem. Het volume bodem dat door de wortels efficiënt gebruikt wordt, hangt in sterke mate af van de complexiteit van het wortelsysteem. De complexiteit van wortelarchitectuur kan verhoogd worden door de vorming van vertakkingen, zijwortels. Naast het fundamentele biologisch belang van zijwortelvorming voor planten, kan dit ontwikkelingsproces ook dienen als een uitstekend model om cruciale vragen te beantwoorden zoals, welke positionele signalen liggen aan de basis van patroonvorming, groei-as-bepaling en de herspecificatie van celidentiteit en –polariteit. Daarom is het belangrijk om de moleculaire mechanismen van zijwortelvorming te bestuderen. Endogene en omgevingsfactoren controleren samen de vorming van een nieuwe zijwortel. In Arabidopsis thaliana, ontstaan zijwortels in een specifiek weefsel binnenin de wortel, de pericyclus. De eerste gebeurtenissen die geobserveerd kunnen worden tijdens zijwortelvorming zijn de gecoördineerde asymmetrische celdelingen in twee aangrenzende xyleempool-geassocieerde pericycluscellen (Beeckman et al., 2001). De signaal molecule in planten, auxine, is één van de belangrijkste regulatoren van zijwortelontwikkeling en is betrokken in alle stappen van dit ontwikkelingsproces (Blakely et al., 1988). Desalniettemin is er weinig geweten over de moleculaire mechanismen waarmee auxine zijwortelvorming beïnvloedt (Hoofdstuk 1 & 2). Mijn doctoraatsonderzoek was gericht op de identificatie en karakterisering van nieuwe moleculaire regulatoren van zijwortelontwikkeling. Eén van de grootste uitdagingen was de analyse van transcriptionele veranderingen tijdens de vroege stappen van auxine-geïnduceerde zijwortelvorming. Om dit gericht te kunnen doen hebben we een systeem ontwikkeld om dit proces te manipuleren. Met behulp van het zijwortelinduceerbaar systeem (ZWIS) zijn we in staat zijwortelinitiatie gesynchroniseerd te induceren over gans de lengte van de wortel (Himanen et al., 2002). Via transcriptionele analyse op ongeveer 4600 genen konden we aantonen dat binnen het ZWIS, signaaltransductie en celcyclusactivatie van elkaar konden gescheiden worden in de tijd (Himanen et al., 2004). Vervolgens gebruikten we het ZWIS in een bijna genoom-wijde analyse van transcriptionele veranderingen die optreden in wortels van wild type en een auxine-ongevoelige mutant, solitary-root-1 (slr-1), die geen zijwortels kan maken (Hoofdstuk 3; Vanneste et al., 2005). Onze data toonde aan dat auxine-afhankelijke celcyclusactivatie sterk verstoord was in slr-1. Om te testen of celdelingsstimulatie in de pericyclus voldoende zou zijn om het zijworteldefect in slr-1 te complementeren, hebben we de G1-S regulatoren, CYCD3;1 en E2Fa/DPa, tot overexpressie gebracht in deze mutant. In plaats van het induceren van zijwortels, kon enkel proliferatieve celdeling waargenomen worden in de pericyclus. Dit suggereerde dat celdeling niet voldoende is voor auxine-geïnduceerde zijwortelvorming (Vanneste et al., 2005). Om de rol van celcyclusregulatoren in zijwortelontwikkeling verder te onderzoeken analyseerden we de functie van de CYCA2 genfamilie via mutanten. In specifieke drievoudige mutanten vonden we een sterke reductie in zijworteldensiteit. Daarenboven vonden we dat zijwortels van de mutanten opgebouwd waren uit minder cellen. Desondanks het cellulaire defect, waren alle celtypes van een functioneel zijwortelmeristeem aanwezig. Dit suggereert dat celidentiteit bepaald wordt, onafhankelijk van celdelingsvoortgang. In de epidermis van CYCA2 mutanten vonden we unicellulaire structuren die sluitcelkarakteristieken vertoonden. Dit is in overeenstemming met de zijworteldefecten in de mutanten aangezien ook hier celidentiteitsbepaling en celdelingsvoortgang onafhankelijk gebeurden (Hoofdstuk 6). In de literatuur werden mutanten en behandelingen beschreven waarin celidentiteitsbepaling in ontwikkelende zijwortels verstoord was (Benková et al., 2003; Geldner et al., 2004). Beide rapporten toonden aan dat transport- afhankelijke lokale auxine-accumulatie essentieel is voor celidenteiteitsbepaling tijdens zijwortelvorming. Regulatoren van polair auxine-transport van de PIN-familie hebben specifieke en overlappende expressie patronen tijdens zijwortelvorming (Benková et al., 2003). Onze bijna-genoom-wijde analyse van transcriptionele veranderingen tijdens zijwortelinitiatie leverde ook in belangrijke mate bij tot nieuwe inzichten in dit mechanisme. We vonden dat PIN-genen bij de vroegst auxine-geïnduceerde genen horen. Daarenboven vonden we dat hun transcriptionele opregulatie afhankelijk was van de klassieke auxinesignaalcascade. In deze signaaltransductieweg beïnvloedt auxine transcriptie door de destabilisering van labiele repressoreiwitten (Hoofdstuk 4; Vieten et al., 2005). Deze bevinding bleek uiteindelijk een essentiële component te zijn voor computermodellen van auxinetransport-afhankelijke ontwikkelingsprocessen (Jonsson et al., 2006). Daarenboven vonden we dat ook het AUX1 homoloog LAX3 auxine-induceerbaar was. Onlangs werd door Swarup et al. (2008) aangetoond dat LAX3 betrokken is in zijworteluitgroei. LAX3 is essentieel voor de opname van auxine in de endodermis- en cortexcellen in de nabijheid van zijwortelprimordia, waar het vervolgens transcriptie van celwandmodificerende enzymen stimuleert, zodat de zijwortel kan uitgroeien. Bovenop de celcyclusregulatoren en auxinetransport-componenten hebben we verschillende transcriptiefactoren geïdentificeerd die potentieel een belangrijke rol spelen in auxinesignalisatie. Zo vonden we dat de stomatale differentiatie transcriptiefactor, FOUR LIPS/MYB124 (Lai et al., 2005), naast de eigenschap van auxine-induceerbaar te zijn, eveneens tot expressie komt in alle stadia van zijwortelvorming. De mutant vertoonde zijworteldefecten die deden denken aan defecten in polair auxinetransport. We konden inderdaad aantonen dat FLP gerecruteerd wordt naar het chromatine in de PIN3-promotor, waar het PIN3-transcriptie stimuleert. Deze bevinding verhoogt ons inzicht in de mechanismen van auxine-gestuurde zijwortelvorming (Hoofdstuk 5). Tot besluit kunnen we stellen dat onze gedetaileerde analyse van vroege auxine-geïnduceerde transcripten in wortels geleid heeft tot verscheidene belangrijke nieuwe inzichten in zijwortelinitiatie. Het zal dus interessant zijn om in de verkregen dataset te zoeken naar belangrijke regulatoren van zijwortelontwikkeling. Beeckman, T., Burssens, S. and Inzé, D. (2001). The peri-cell-cycle in Arabidopsis. J. Exp. Bot. 52: 403-11. Benková, E., Michniewicz, M., Sauer, M., Teichmann, T., Seifertová, D., Jürgens, G. and Friml, J. (2003). Local, efflux-dependent auxin gradients as a common module for plant organ formation. Cell 115: 591-602. Blakely, L. M., Blakely, R. M., Colowit, P. M. and Elliott, D. S. (1988). Experimental studies on lateral root formation in radish seedling roots II. Analysis of the dose-response to exogenous auxin. Plant Physiol. 87: 414-419. Geldner, N., Richter, S., Vieten, A., Marquardt, S., Torres-Ruiz, R. A., Mayer, U. and Jürgens, G. (2004). Partial loss-of-function alleles reveal a role for GNOM in auxin transport-related, post-embryonic development of Arabidopsis. Development 131: 389-400. Himanen, K., Boucheron, E., Vanneste, S., de Almeida Engler, J., Inzé, D. and Beeckman, T. (2002). Auxin-mediated cell cycle activation during early lateral root initiation. Plant Cell 14: 2339-51. Himanen, K., Vuylsteke, M., Vanneste, S., Vercruysse, S., Boucheron, E., Alard, P., Chriqui, D., Van Montagu, M., Inzé, D. and Beeckman, T. (2004). Transcript profiling of early lateral root initiation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101: 5146-51. Jonsson, H., Heisler, M. G., Shapiro, B. E., Meyerowitz, E. M. and Mjolsness, E. (2006). An auxin-driven polarized transport model for phyllotaxis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 1633-8. Lai, L. B., Nadeau, J. A., Lucas, J., Lee, E. K., Nakagawa, T., Zhao, L., Geisler, M. and Sack, F. D. (2005). The Arabidopsis R2R3 MYB proteins FOUR LIPS and MYB88 restrict divisions late in the stomatal cell lineage. Plant Cell 17: 2754-67. Swarup, K., Benková, E., Swarup, R., Casimiro, I., Péret, B., Yang, Y., Parry, G., Nielsen, E., De Smet, I., Vanneste, S., Levesque, M.P., Carrier, D., James, N., Calvo, V. Ljung, K., Kramer, E.M., Roberts, R., Graham, N., Marillonnet, S., Patel, K., Jones, J.D.G., Taylor, C.G., Schachtman, D.P., May, S.T., Sandberg, G., Benfey, P.N., Friml, J., Kerr, I.D., Beeckman, T., Laplaze, L. & Bennett, M.J. (2008) The auxin influx carrier LAX3 promotes lateral root emergence. Nat. Cell Biol. (11 Jul 2008), doi: 10.1038/ncb1754 Vanneste, S., De Rybel, B., Beemster, G. T., Ljung, K., De Smet, I., Van Isterdael, G., Naudts, M., Iida, R., Gruissem, W., Tasaka, M., Inzé, D., Fukaki, H. and Beeckman, T. (2005). Cell cycle progression in the pericycle is not sufficient for SOLITARY ROOT/IAA14-mediated lateral root initiation in Arabidopsis thaliana. Plant Cell 17: 3035-50.

Author dc:creator

• Vanneste, Steffen

Contributors dc:contributor

• Inzé, D

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess

Language dc:language

und

Identifier

https://biblio.ugent.be/publication/468508
http://doi.org/1854/11732
https://biblio.ugent.be/publication/468508/file/1879755

OAI identifier oai:identifier

oai:archive.ugent.be:468508