Structural and Functional Analysis of FLOWERING LOCUS T in Arabidopsis thaliana

Abstract

Onset of flowering is critical to the plant reproductive success. In plants such as Arabidopsis thaliana, in which flowering is promoted under long days, inductive conditions lead to the production of FLOWERING LOCUS T (FT) protein in leaves. This protein then serves as a florigen, which travels through the phloem to the shoot apex. There, it interacts with the FD transcription factor to directly activate different flower-identity genes. The floral promoting activity of FT is, however, antagonized by floral repressing TERMINAL FLOWER 1 (TFL1), expressed specifically at the shoot apex. Though opposite in function, both FT and TFL1 are members of the PEBP (phosphatidylethanolamine binding protein) family and share a high degree of structural and topological similarities. Previous studies showed that TFL1 can function similarly to the floral promoting FT via a single amino acid change (H88Y), but the corresponding mutation on the FT backbone (Y85H) cannot convert FT into a floral repressing molecule. Later, exonic swapping between FT and TFL1 demonstrated that the motif encoded by exon 4B and 4C is required for FT function, while either exon 4B or 4C is sufficient for TFL1 activity. However, swapping of exon 4B between the FT paralogs in sugar beet, namely the floral repressing BvFT1 and floral promoting BvFT2, can only convert BvFT1 into BvFT2. Data supporting the conversion from BvFT2 to BvFT1 was not conclusive. Moreover, recent findings postulated the existence of a coactivator of FT, how the functionally critical residues of FT related to the coactivating mechanism remains elusive. In my study, by combination of mutagenesis, in silico protein analysis and genetic studies, I showed that amino acid residues ultraconserved in Plantae are not necessarily crucial for the robust FT function, while most of the canonical positions do not determine the florigenic identity of FT. Instead, I identified six residues essential for the maintenance of a specific charge and bondings of two localized surfaces. Disturbance of either of these properties is sufficient to convert FT into a complete TFL1 mimic. Further, I demonstrated that the dominant negative phenotype is not caused by interrupting the interaction with previously identified components of FT floral activating complex, specific members of a plant-specific transcription factor family are likely to play a key role in differentiating between FT and TFL1 action. Altogether, my work revealed novel and surprising insights into both FT function and mode-of-action, thereby increased our understanding on the mechanism mediating the critical developmental shift.

Blühbeginn ist kritisch für die Pflanze Fortpflanzungserfolg. Bei Pflanzen wie Arabidopsis thaliana, wobei Blüte unter langen Tagen wird gefördert, induktiven Bedingungen zur Produktion von FLOWERING LOCUS T (FT)-Proteins in Blättern führen. Dieses Protein dient dann als Florigen, die durch das Phloem reist zu den Dreharbeiten Spitze. Dort interagiert es mit dem FD Transkriptionsfaktor direkt aktivieren verschiedene Blumen-Identität Gene. Das florale Aktivität von FT ist jedoch von floralen unterdrücken TERMINAL FLOWER 1 (TFL1), die speziell auf den Sprosszellen ausgedrückt antagonisiert. Obwohl entgegengesetzt in Funktion sind beide FT und TFL1 Mitglieder der PEBP (Phosphatidylethanolamin-bindendes Protein) Familie und gemeinsam einen hohen Grad an struktureller und topologische Ähnlichkeiten. Frühere Studien zeigten, dass TFL1 kann ähnlich funktionieren, um das Blumengebinde Förderung FT über einen einzelnen Aminosäureaustausch (H88Y), aber die entsprechende Mutation auf dem FT-Backbone (Y85H) nicht konvertieren FT in einer blumigen Unterdrücken Molekül. Später zeigte exonischen Wechsel zwischen FT und TFL1 daß das Motiv durch Exon kodiert 4B und 4C für FT-Funktion erforderlich ist, während entweder Exon 4B oder 4C genügt TFL1 Aktivität. Allerdings Austausch von Exon 4B zwischen den FT Paraloge in Zuckerrüben, nämlich die florale unterdrücken BvFT1 und floralen Förderung BvFT2 kann nur konvertieren BvFT1 in BvFT2. Daten, die für die Umwandlung von BvFT2 um BvFT1 war nicht schlüssig. Darüber hinaus neuere Befunde die Existenz eines Coaktivators von FT, wie die funktionell kritischen Reste im Zusammenhang mit dem FT-Mechanismus coactivating flüchtig bleibt postuliert. In meiner Studie, durch Kombination von Mutagenese, In-silico Proteinanalyse und genetische Studien zeigten, dass die I Aminosäurereste in Plantae ultraconserved sind nicht unbedingt entscheidend für die FT robuste Funktion, während die meisten der kanonischen Positionen nicht bestimmen florigenic Identität FT . Stattdessen identifizierten I sechs Reste wesentlich für die Erhaltung eines spezifischen Ladung und Verklebungen von zwei lokalisierten Oberflächen. Störung der eine dieser Eigenschaften ist ausreichend, um zu einer vollständigen FT TFL1 imitieren umzuwandeln. Ferner habe ich gezeigt, dass die dominant-negativen Phänotyp nicht durch Unterbrechen der Wechselwirkung mit zuvor identifizierten Komponenten FT floral aktivierenden Komplex, bestimmte Elemente verursacht eine anlagenspezifische Transkriptionsfaktorfamilie wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Differenzierung zwischen FT spielen und TFL1 Aktion . Insgesamt zeigte meine Arbeit neue und überraschende Einblicke in sowohl FT Funktion und Wirkungsweise-of-action, dadurch erhöht unser Verständnis über den Mechanismus der Vermittlung der kritischen Entwicklungsphase Verschiebung.