Identification of REVOLUTA target genes uncovers a link between leaf patterning and shade-induced growth responses

Abstract

Plants are sessile organisms and thus have to cope with unfavorable growth conditions. To survive in an ever-changing environment, they have to constantly align their growth behavior to biotic and abiotic factors. In their struggle for water, nutrients and light in a highly competitive environment, plants have evolved gene- and hormone-regulatory networks enabling them to counteract suboptimal conditions by inducing elongation growth. In this thesis I show that the interplay of homeodomain-leucine zipper (HD-ZIP) transcription factors and plant hormones act as an adjusting screw between the inherent growth programs and the outer world. REVOLUTA, a class III homeodomain-leucine-zipper (HD-ZIPIII) transcription factor, plays a crucial role in many polarity-associated patterning processes. Using a ChIP-Seq (Chromatin-Immuno-Precipitation-Sequencing) approach we were able to identify a number of direct REVOLUTA target genes. Some of these targets are involved in controlling developmental processes, while a significant number is involved in responding to abiotic stimuli. Two of the identified target genes are: TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS1 (TAA1) und YUCCA5 (YUC5), whose gene products are involved in biosynthesis of auxin. Additionally, several class II homeodomain-leucine-zipper (HD-ZIPII) transcription factors were identified as direct REV targets. These HDZIPII factors are known to regulate shade-associated growth processes. We were able to show that HD-ZIPIII factors regulate HD-ZIPII factors, which is a prerequisite for a full shade-avoidance response. In addition, we were able to establish a new link between HD-ZIPII factors and leaf patterning. KANADI1 (KAN1), a transcriptional repressor of the GARP family, acts antagonistically to REVOLUTA during leaf patterning. We could show that REV and KAN1 antagonistically regulate several shared target genes. Furthermore, we revealed that REV and KAN1 also control shade growth in an antagonistic manner. Finally, we identified a new positive feedback-loop regulating REV mRNA stability. It is known, that the ARGONAUTE10 (AGO10) protein sequesters microRNAs of the miR165/166 family that regulate HD-ZIPIII transcript stability. We were able to show, that AGO10 expression is directly and positively controlled by REV, thereby REV established a direct and positive feedback loop. In summary, this thesis added to the expansion of the regulatory network around REVOLUTA. In addition to the identification of a new positive feedback-loop we were able to ascribe new functions for the REV/KAN1 module in shade-induced growth promotion. Finally, we discovered that class II homeodomain-leucinezipper proteins have a crucial role in leaf patterning.

Pflanzen führen eine standortgebundene Lebensweise. Aus diesem Grund müssen sie sich permanent an wechselnde biotische und abiotische Bedingungen anpassen. Dies geschieht durch das Zusammenspiel inhärenter genetisch determinierter Programme mit Signalwegen, die auf äußere Stimuli reagieren. Um im Kampf um Wasser, Nährstoffe und Licht in einer stark von Konkurrenz geprägten Umwelt zu überleben, haben Pflanzen komplexe regulatorische Netzwerke etabliert, bei welchem Transkriptionsfaktoren und Hormone eine entscheidende Rolle spielen. Im Rahmen dieser Dissertation zeige ich auf, dass das Zusammenspiel von Homeodomänen-Leuzin-Zipper-Transkriptionsfaktoren und Pflanzenhormonen eine „Stellschraube“ zwischen dem inhärenten Entwicklungsprogrammen und der Antwort auf äußere Reize darstellt. REVOLUTA, ein Klasse III Homeodomänen-Leuzin-Zipper Transkriptionsfaktor (HD-ZIPIII), spielt in vielen polaritäts-assoziierten Musterbildungsprozessen eine entscheidende Rolle. Mittels der Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethode ChIP-Seq (Chromatin- Immunopräzipitationssequenzierung) wurden zahlreiche direkte REVOLUTAZielgene identifiziert, welche einerseits in Entwicklungsprozesse andererseits in die Reaktion auf abiotische Faktoren involviert sind. Zwei dieser Zielgene sind TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS1 (TAA1) und YUCCA5 (YUC5), welche unter Regulation von REVOLUTA das Wachstumshormon Auxin synthetisieren. Des Weiteren wurden Klasse II Homeodomänen-Leuzin-Zipper Transkriptionsfaktoren als Zielgene von REVOLUTA identifiziert, welche unter dessen Kontrolle nicht nur wie bisher bekannt für schatteninduzierte Hypokotylverlängerung verantwortlich sind, sondern auch in der von REVOLUTA gesteuerte Blattmusterbildung eine entscheidende Rolle spielen. Als Gegenspieler von REVOLUTA in der Blattmusterbildung agiert KANADI1 (KAN1), ein transkriptioneller Repressor aus der GARP-Familie. Es konnte gezeigt werden, dass durch die gemeinsame Regulation von Zielgenen in der Auxinsynthese und der Schattenantwort, sowohl REVOLUTA als auch KANADI1 in beiden Prozessen eine gegensätzliche Rolle spielen. Zusätzlich konnte anhand der ChIP-Seq-Daten eine neue positive Feedback- Schleife für REVOLUTA identifiziert und eine bereits bekannte genauer charakterisiert werden. In beiden Fällen führt eine genetische Veränderung zu Veränderungen in der Blattmusterbildung. REVOLUTA wird posttranskriptionell von den microRNA Familien miR165 und miR166 reguliert. Ich konnte zeigen, dass ARGONAUTE10, welches die miRNA165/166 bindet und in ihrer Wirkung inhibiert, durch REVOLUTA direkt positiv transkriptionell reguliert wird. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass REVOLUTA die Genexpression von LITTLE ZIPPER Mikroproteinen direkt reguliert, welche in einer negativen Feedback-Schleife REVOLUTA posttranslational inhibieren. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass im Rahmen dieser Dissertation das regulatorische Netzwerk um REVOLUTA signifikant erweitert wurde. Es konnten nicht nur neue Feedback-Schleifen identifiziert und genauer charakterisiert werden, sondern es wurde eine Funktion für REVOLUTA und KANADI1 in der Auxin-vermittelten Schattenvermeidungsantwort aufgeklärt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die an der Schattensignaltransduktion beteiligten Klasse II Homeodomänen-Leuzin-Zipper Transkriptionsfaktoren auch eine wichtige Rolle in der Blattmusterbildung spielen.