Regulation of flowering time by DELLA proteins in Arabidopsis thaliana

Abstract

The transition to flowering in plants is under multifactorial regulation. Environmental cues, such as light, temperature, and endogenous factors are integrated by a complex genetic network to ensure the correct timing of this transition. In Arabidopsis thaliana, the plant hormone gibberellic acid (GA) is an important endogenous element involved in the regulation of flowering under inductive long-day (LD) and non-inductive short-day (SD) photoperiod. However, important questions regarding the spatial organization of the flowering response, and the relative contribution of factors involved in the GA-mediated control of flowering such as DELLA proteins require a more detailed analysis. In the first part of this thesis I present evidences indicating that the abundance of DELLA proteins in leaves and/or the shoot meristem is an important factor affecting flowering transition, depending on the photoperiodic conditions. Under LD, GA controls flowering by promoting the expression of the florigen FLOWERING LOCUS T (FT) and TWIN SISTER OF FT (TSF) independently of CONSTANS (CO) and GIGANTEA (GI) in the phloem companion cells of the leaf vasculature. In addition, GA positively regulates the expression of several SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE (SPL) transcription factors in both leaf vasculature and shoot meristem, which are themselves promoting flowering. In contrast to the spatial separation observed in LD, the control of flowering time by GA is restricted to the shoot meristem in SD. The data presented in chapter 2 integrate the well-known effect of GA on the expression of SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS (SOC1) and FRUITFUL (FUL) and the recently discovered age flowering pathway, which ensures flowering under SD conditions. Under SD, GA controls flowering through SPL-mediated control of SOC1 and FUL expression at the shoot meristem. In agreement with a recent GA signaling model, my data suggest that in addition to the transcriptional control of SPL genes, GA may regulate flowering through direct SPL-DELLA interaction. Finally, I describe a new method to map mutations in Arabidopsis thaliana, which relies on high coverage sequencing of polymorphic regions captured with specific probes. Using this method we were able to accurately estimate the confidence interval harboring an unknown causal mutation isolated in a suppressor screen of the strong flowering promoting gene FT. Interestingly, we performed mapping-by-sequencing without the use of a reference genome using only syntheny information between Arabidopsis and Brassica rapa. This method represents an interesting alternative for mapping mutations in species without a reference genome or genetic map.

Die Bestimmung des Blühzeitpunkts in Pflanzen wird von einer Vielzahl Faktoren reguliert Umweltreize wie Licht, Temperatur und endogene Faktoren werden mit Hilfe eines komplexen genetischen Netzwerkes verarbeitet, um den richtigen Zeitpunkt dieses Überganges sicherzustellen. Das Pflanzenhormon Gibberellinsäure (GA) ist ein wichtiger endogener Faktor in Arabidopsis thaliana, der an der Regulation des Blühens unter induktiver Langtag- (LD) und nicht-induktiver Kurztag- (SD) Photoperiode beteiligt ist. Es ist jedoch eine detailliertere Analyse erforderlich um wichtige Fragen bezüglich der räumlichen Organisation der Blühantwort und des Beitrages anderer Faktoren der GA-vermittelten Kontrolle des Blühens wie den DELLA Proteinen zu beantworten. Im ersten Teil dieser Arbeit präsentiere ich Hinweise darauf, dass die Menge der DELLA Proteine in den Blättern und / oder dem Sprossmeristem ein wichtiger Faktor ist, der den Übergang zum Blühen in Abhängigkeit von den photoperiodische Bedingungen beeinflusst. Unter LD-Bedingungen, steuert GA das Blühen indem es die Expression des Florigens FLOWERING LOCUS T (FT) und TWIN SISTER OF FT (TSF) unabhängig von CONSTANS (CO) und GIGANTEA (GI) in den Geleitzellen der Blattgefäße fördert. Zudem reguliert GA auf positive Weise die Expression mehrerer SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE (SPL) Transkriptionsfaktoren, die selbst das Blühen induzieren, sowohl in den Blattgefäßen als auch im Sprossmeristem. Im Gegensatz zur im Langtag beobachteten räumlichen Trennung, ist die Steuerung des Blühzeitpunktes durch GA im Kurztag auf das Sprossmeristem beschränkt. Die in Kapitel 2 vorgestellten Daten verflechten den bekannten Effekt von GA auf die Expression von SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS (SOC1) und FRUITFUL (FUL) sowie den jüngst entdeckten altersabhängigen Blühregulationsweg, der das Blühen unter nicht-induktiven SD-Bedingungen gewährleistet. Im Kurztag steuert GA das Blühen durch SPL-vermittelten Kontrolle der SOC1 und FUL Expression im Sprossmeristem. In Übereinstimmung mit dem jüngsten Modell zur GA-Signalweiterleitung legen meine Daten nahe, dass zusätzlich zur Transkriptionskontrolle der SPL-Gene GA das Blühen auch durch direkte SPL-DELLA Wechselwirkung regulieren kann. Zuletzt beschreibe ich eine neue Methode zur Kartierung von Mutationen in Arabidopsis thaliana, die darauf beruht, dass polymorphe Regionen mittels hoher Sequenziertiefe und durch spezifischen Sonden erfasst werden. Mit dieser Methode konnten wir sehr genau das Konfidenzintervall abschätzen, das eine unbekannte kausale Mutation beherbergt, die in einem Suppressor-Screen des starken blüh-induzierenden Gens FT isoliert wurde. Interessanterweise führten wir diese Kartierung der Sequenzen ohne die Verwendung eines Referenz-Genoms durch, nur mit Syntenie- Informationen bezüglich Arabidopsis und Brassica rapa. Diese Methode stellt eine interessante Alternative zur Kartierung von Mutationen in Spezies ohne Referenz-Genom oder genetische Karte dar.