The role of auxin during pattern formation in Arabidopsis thaliana

Abstract

Even the most complex organism has its origin in a single cell. During development the descendants of this cell adopt diverse fates in response to a variety of endogenous and exogenous factors, giving rise to the overwhelming diversity of life. Plants use the phytohormone auxin as a major patterning factor. Auxin controls asymmetric growth in response to photo- and gravitropic stimuli, suppresses shoot branching and promotes lateral root initiation. Because of the stereotypic cell division pattern in early Arabidopsis thaliana embryogenesis, the role of auxin in embryonic root formation is particularly well understood (Lau et al. 2012). Auxin degrades the Aux/IAA protein BODENLOS (BDL), thereby releasing the AUXIN RESPONSE FACTOR (ARF) MONOPTEROS (MP), and MP in turn initiates primary root formation. To study the regulation of the auxin response mediated by the MP-BDL module, we employed a suppressor screen on the root initiation defect of the bdl mutant which expresses a stabilized version of the BDL inhibitor. This screen resulted in the identification of the nuclear import receptor IMPORTIN ALPHA 6 (IMPα6) as a critical determinant of auxin response. In impα6-1 bdl double mutants the primary root initiation defect of bdl is partially rescued, presumably because of a reduced nuclear uptake of bdl into the nucleus. Incorporation of delayed nuclear import into a previously established computational model auxin-modulated MP-BDL interaction revealed that such a delay can be sufficient to trigger an auxin response in bdl after a short auxin pulse (Herud et al. 2016). Traditionally auxin localization is inferred from the expression of reporter genes under the control of the auxin-inducible promoter DR5. The presence of reporter signal is usually referred to as an auxin-response maximum, and it is assumed that each reporter-signal maximum represents a local auxin maximum. Quantitative measurements indicate that this is not necessarily the case. We employed the similarities between auxin and tryptophan to develop an auxin sensor based on Förster resonance energy transfer (FRET) by semi-rational redesign of an established tryptophan sensor. This sensor enables us to visualize auxin directly and with high temporal and spatial resolution.

Die Entwicklung auch des komplexesten Organismus beginnt mit einer einzelnen Zelle. Eine große Anzahl von endogenen und exogenen Faktoren beeinflusst die Spezifizierung aller Organe aus den Nachkommen dieser Zelle. In Pflanzen ist das Phytohormon Auxin ein sehr wichtiger Musterbildungsfaktor. Auxin kontrolliert z.B. asymmetrisches Wachstum während des Photo- und Gravitropismus, unterdrückt die Ausbildung sekundärer Sprossachsen und fördert die Bildung von lateralen Wurzeln. Aufgrund des stereotypischen Zellteilungsmusters in der Embryogenese von Arabidopsis thaliana ist die Wirkung von Auxin in der embryonalen Wurzelinitiierung besonders gut verstanden (Lau et al. 2012). Auxin degradiert Aux/IAA Proteine wie BODENLOS (BDL) und befreit dadurch AUXIN RESPONSE FACTORS (ARFs) wie MONOPTEROS (MP) von ihrer Inhibierung. Während der Primärwurzelinitiation wird BDL in den inneren Zellen des apikalen Proembryos degradiert, dadurch kann MP die Wurzel initiieren. Um die Regulation der Auxinantwort besser zu verstehen, haben wir nach Mutanten gesucht, die den Wurzelinitiierungsdefekt von bdl retten; die bdl Mutante exprimiert ein stabilisiertes BDL Protein. Dabei haben wir den Kerntransportrezeptor IMPORTIN ALPHA 6 (IMPα6) als wichtigen Teil der Auxinantwort identifiziert. In impα6-1 bdl Doppelmutanten tritt der Wurzelinitiierungsdefekt seltener auf, vermutlich weil bdl langsamer in den Zellkern aufgenommen wird. Indem wir einen verlangsamten Import in ein etabliertes Model der Auxinantwort eingefügt haben, konnten wir zeigen, dass dies ausreichend sein kann, um in der bdl Mutante eine Auxinantwort nach einer kurzen Erhöhung der Auxinkonzentration auszulösen. Traditionell wird die Auxinkonzentration aus der Expression von Reportergenen unter der Kontrolle des artifiziellen, auxin-induzierbaren Promotors DR5 geschlossen. Der Bereich, in dem das Reportergen exprimiert ist, wird als Auxinantwort-Maximum bezeichnet, und es wird angenommen, dass jedes Auxinantwort-Maximum auch ein Maximum der Auxinkonzentration ist. Quantitative Messung zeigen jedoch, dass Auxinkonzentration und DR5 Aktivität nicht immer korrelieren. Wir haben die Ähnlichkeit von Tryptophan (Trp) und Auxin ausgenutzt, um einen auf Förster-Resonanz-Energie-Transfer basierten Trp-Sensor zu einem Auxin-Sensor zu machen. Mit diesem Sensor können wir Auxin in einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung visualisieren.