Az arabidopsis CRK55 protein kináz szerepe a gyökérgravitropizmus szabályozásában

Abstract

A Föld nehézségi erejét érzékelve a növények hajtásuk és gyökerük ellentétes irányú növekedését a gravitáció irányával párhuzamosan állítják be. A hajtások pozitív és a gyökerek negatív gravitopikus válaszait a növényi auxin hormon aszimmetrikus eloszlása szabályozza. Az auxin sejtek közötti aktív transzportját az AUX/LAX import, ill. PIN-FORMED (PIN) export hordozók irányítják. A gravitációs szignált a keményítőtartamú gyökér kolumella és hajtás endodermisz sejtek érzékelik. A keményítőszintézist, a keményítő tartalmú kloroplasztiszok ill. amiloplasztiszok biogenezisét, és szedimentációjuk során aktin filamentumokkal, endoplazmatikus retikulummal és plazmamembránnal történő kölcsönhatásait befolyásoló mutációk jellemzése földerítette a mechanikai stimulusokat érzékelő ioncsatornák, valamint a calcium/kalmodulin és inozitolfoszfát szignálátviteli utak komponenseinek szerepét a gravitáció érzékelésétől az auxin transzporterek membránlokalizációjának szabályozásáig vezető folyamatokban. Amíg az auxin transzportekek poláris lokalizációját, aktivitását és stabilitását szabályózó faktorokról egyre több ismeret áll rendelkezésükre, sokkal kevesebbet tudunk arról, hogy a gravitációs stimulus érzékelése hogyan vezet az auxin transzport specifikus változásaihoz a Ca²⁺/kalmodulin szignálátivetelben működő faktorok résztvételével.

Ebben a munkában az Arabidopsis thaliana Ca²⁺/kalmodulin-függő kinázaihoz hasonló CRK alcsaládba tartozó CRK5 protein kináz szabályozó funkcióit jellemeztük. A CRK5 gén egy T-DNS inszerciós mutációjának felhasználásával kimutattuk, hogy a CRK5 inaktiválása gátolja a főgyökér megnyúlását és késlelteti a hajtás és gyökér gravitopikus elhajlási válaszait. A crk5-1 mutáns genetikai komplementációs tesztjével igazoltuk, hogy egy helyspecifikus mutagenezis technikával módosított génről kifejeztetett CRK5-GFP (zöld fluoreszcens fehérje) fúziós fehérje képes kijavítani a mutáció által okozott fenotipikus változásokat: a gyökérmegnyúlás gátlását, és a hajtás irányába megemelkedett auxin transzportot, ami a stimulálja az oldalgyökerek differenciálódását és késlelteti a gyökér gravitropikus válaszát. Vizsgálatainkban, részletesen jellemezzük a késleltetett gyökér gravitopikus válaszhoz vezető folyamatot a crk5-1 mutánsban. Kimutattuk, hogy a crk5-1 mutáció nem okoz hibát a gravitáció érzékeléséhez szükséges keményítő szintézisében. Továbbá észleltük, hogy az auxin-indukált DR5-GFP riporter fehérje mennyisége a crk5-1 mutáns gyökércsúcsában a vadtípushoz hasonlítva lényegesen kevesebb, ami arra utalt, hogy az auxinszint a gyökércsúcsban lecsökkent. Ennek ellenére, a gyökércsúcs nem mutatott méretbeli zsugorodást és az auxin bioszintézisben résztvevő kulcsgének, valamint az AUX1/LAX (AUXIN TRANSPORTER/AUXIN TRANSPORTER-LIKE PROTEIN auxin import és PIN (PIN-FORMED) exporthordozók génjeinek transzkripciója sem mutat változást a crk5-1 mutáció hatására. Mivel a gyökér gravitropikus válaszát szabályozó auxin transzport irányítottságát és mértékét a PIN auxin export és AUX1 importhordozók poláris membránbeli elhelyezkedése és stabilitása határozza meg, lézerpasztázó mikroszkópos technikával összehasonlítottuk e fehérjék GFP-vel jelölt formáinak mennyiségét és membránbeli helyzetét vadtípusú ill. crk5-1 mutáns gyökerek különböző sejttípusaiban. A gyökérben, az auxin a szállítónyalábokon keresztül a nyugvó központ körüli osztódó merisztéma és kolumella sejtekhez lefelé traszportálódva éri el a koncentrációs maximumát. Ezután a hajtás irányában fölfelé transzportálodik az elongációs zónába a bőrszövetben és onnan reciklizál a gyökércsúcs irányában a kortex sejteken keresztül. A PIN-GFP fehérjék fluoreszcenciájának intenzitását pásztázó lézer mikroszkópiával és mennyiségi hőtérképek készítésével követve azt találtuk, hogy a PIN1, 3, and 7 fehérjék lokalizációja hasonló a vadtípusú és crk5-1gyökérbél sejtjeinek gyökércsúcs felé néző alsó membránjaiban, amíg a PIN4 fehérje azonos mintázatot mutatott az nyugvó centrumot környező őssejtek alsó membránjaiban.

Alternate abstract:

You are viewing a machine translation of selected content from our databases. This functionality is provided solely for your convenience and is in no way intended to replace human translation. Show full disclaimer

Neither ProQuest nor its licensors make any representations or warranties with respect to the translations. The translations are automatically generated "AS IS" and "AS AVAILABLE" and are not retained in our systems. PROQUEST AND ITS LICENSORS SPECIFICALLY DISCLAIM ANY AND ALL EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING WITHOUT LIMITATION, ANY WARRANTIES FOR AVAILABILITY, ACCURACY, TIMELINESS, COMPLETENESS, NON-INFRINGMENT, MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. Your use of the translations is subject to all use restrictions contained in your Electronic Products License Agreement and by using the translation functionality you agree to forgo any and all claims against ProQuest or its licensors for your use of the translation functionality and any output derived there from. Hide full disclaimer

Sensing the gravity of the Earth, the plants adjust the growth of their shoots and roots in the opposite direction, parallel to the direction of gravity. The positive gravitopic responses of the shoots and the negative gravitopic responses of the roots are regulated by the asymmetric distribution of the plant hormone auxin. Active transport of auxin between cells is achieved by AUX/LAX import or It is managed by PIN-FORMED (PIN) export carriers. The gravity signal is sensed by the starchy root columella and shoot endodermis cells. Starch synthesis, starch-containing chloroplasts or the characterization of mutations affecting the biogenesis of amyloplasts and their interactions with actin filaments, endoplasmic reticulum and plasma membrane during their sedimentation confirmed the role of ion channels sensing mechanical stimuli and components of the calcium/calmodulin and inositol phosphate signaling pathways in the processes leading from sensing gravity to regulating the membrane localization of auxin transporters. While more and more knowledge is available about the factors regulating the polar localization, activity and stability of auxin transporters, much less is known about how the perception of the gravitational stimulus leads to specific changes in auxin transport with the participation of factors operating in Ca²⁺/calmodulin signaling.

In this work, we characterized the regulatory functions of the CRK5 protein kinase belonging to the CRK subfamily similar to the Ca²⁺/calmodulin-dependent kinases of Arabidopsis thaliana. Using a T-DNA insertion mutation of the CRK5 gene, we showed that inactivation of CRK5 inhibits the elongation of the main root and delays the gravitopic bending responses of the shoot and root. With the genetic complementation test of the crk5-1 mutant, we proved that the CRK5-GFP (green fluorescent protein) fusion protein expressed from a gene modified by a site-specific mutagenesis technique can correct the phenotypic changes caused by the mutation: the inhibition of root elongation and increased auxin transport in the shoot direction, which stimulates the differentiation of lateral roots and delays the gravitropic response of the root. In our studies, we describe in detail the process leading to the delayed root gravitopic response in the crk5-1 mutant. We have shown that the crk5-1 mutation does not cause a defect in the synthesis of starch required for gravity sensing. Furthermore, we noticed that the amount of the auxin-induced DR5-GFP reporter protein in the crk5-1 mutant root tip was significantly lower compared to the wild type, which indicated that the auxin level in the root tip was reduced. Despite this, the root tip did not show a shrinking in size and the transcription of the key genes involved in auxin biosynthesis, as well as the AUX1/LAX (AUXIN TRANSPORTER/AUXIN TRANSPORTER-LIKE PROTEIN auxin import and PIN (PIN-FORMED) export carriers) genes did not show any changes in the crk5-1 mutation Since the directionality and extent of auxin transport, which regulates the gravitropic response of the root, is determined by the location and stability of PIN auxin export and AUX1 import carriers in the polar membrane, we compared the amount and membrane position of the GFP-labeled forms of these proteins in wild-type and crk5-1 mutants using laser scanning microscopy. in different cell types of roots. In the root, auxin reaches its concentration maximum by being transported downwards through the transport beams to the dividing meristem and columella cells around the resting center. It is then transported upwards in the direction of the shoot to the elongation zone in the skin tissue and from there is recycled in the direction of the root tip through the cortex cells . By following the fluorescence intensity of PIN-GFP proteins by scanning laser microscopy and creating quantitative heat maps, we found that the localization of PIN1, 3, and 7 proteins is similar in the lower membranes of wild-type and crk5-1 rhizome cells facing the root tip, while the PIN4 protein showed the same pattern in the in the lower membranes of stem cells surrounding the resting center.