Μοριακοί μηχανισμοί ελέγχου της αυτοοργάνωσης και προσαρμοστικότητας στα φυτά

Abstract

Η πολική μεταφορά της αυξίνης ελέγχει την ανάπτυξη των φυτών και την ταχεία απόκρισή στα εξωτερικά ερεθίσματα. Ο μεταφορέας καλίου TINY ROOT HAIR 1 (TRH1)/ KUP4 ανήκει στην οικογένεια των μεταφορέων K+ uptake/ high-affinity potassium K+ /K+ transporter (KUP/HAK/KT) και είναι γνωστό ότι επηρεάζει την ομοιόσταση της αυξίνης στο ακρορίζιο ρυθμίζοντας τη μορφογένεση των ριζικών τριχιδίων και τον γεωτροπισμό της ρίζας. Ο μηχανισμός με τον οποίο όμως ένας μεταφορέας K+ σχετίζεται με τη διακίνηση μιας ορμόνης επηρεάζοντας την αρχιτεκτονική του ριζικού συστήματος παραμένει ακόμη άγνωστος. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να αποσαφηνίσει τις άγνωστες πτυχές λειτουργίας του συστήματος TRH1/KUP4. Για το σκοπό αυτό, αρχικά εφαρμόστηκε η προσέγγιση της ιστοειδικής έκφρασης του συστήματος TRH1/KUP4 υπό τον έλεγχο των προαγωγέων των γονιδίων PIN, η οποία κατάφερε να διαχωρίσει τις δυο στενά συνδεδεμένες ρυθμιζόμενες από την αυξίνη αναπτυξιακές αποκρίσεις της ρίζας. Η προσέγγιση αυτή αναδεικνύει τη σημασία της λειτουργίας του συστήματος TRH1/KUP4 στο ακροπεταλικό ρεύμα για το γεωτροπισμό της ρίζας, ενώ η τοποθέτηση του στο βασιπεταλικό ρεύμα φαίνεται ότι είναι καθοριστική για τη φυσιολογική μορφογένεση των ριζικών τριχιδίων. Η εφαρμογή αυξίνης ή αναλόγων της υποστηρίζει ότι το σύστημα TRH1/KUP4 ρυθμίζει κυρίως την εκροή αυξίνης. Η ανάλυση του μεταγραφώματος των διαγονιδιακών φυτών αποκάλυψε νέα γονίδια που φαίνεται να σχετίζονται με διάφορες βιολογικές διεργασίες, όπως η γονιδιακή έκφραση, τα οποία ρυθμίζουν την απόκριση της ρίζας στη βαρύτητα και τη μορφογένεση των ριζικών τριχιδίων, καθορίζοντας την αρχιτεκτονική του ριζικού συστήματος. Παράλληλα, δοκιμές σε όξινες συνθήκες αναδεικνύουν νέες πτυχές του συστήματος TRH1/KUP4 όσον αφορά την πλαστικότητα της ρίζας και την προσαρμογή της σε ακραίες συνθήκες. Σε χαμηλό pH τα φυτά αγρίου τύπου, εξαιτίας μεταβολής της ομοιόστασης της αυξίνης, εμφανίζουν τους φαινότυπους της μετάλλαξης trh1. Στις ίδιες όξινες συνθήκες τα φυτά της μετάλλαξης trh1 παρουσιάζουν υπερευαισθησία. Η απόκριση αυτή αναδεικνύει τη συμβολή του συστήματος TRH1/KUP4 στη μεταβολή του αναπτυξιακού προγράμματος της ρίζας ώστε να διασφαλιστεί η προσαρμογή της σε ακραίες εδαφικές συνθήκες. Η συνδυαστική ανάλυση των πειραμάτων παρατήρησης του pH της ριζόσφαιρας και της λειτουργικής κατάστασης των αντλιών πρωτονίων AHA στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, αποκάλυψαν τη συνεισφορά του συστήματος TRH1/KUP4 στη διατήρηση της ιοντικής ισορροπίας των κυττάρων της ρίζας. Συγκεντρωτικά τα ευρήματα αναδεικνύουν μια ανεξερεύνητη πλευρά των μελών της οικογένειας μεταφορέων καλίου KUP/HAK/KT στα φυτά, υποστηρίζοντας ότι το σύστημα TRH1/KUP4 αποτελεί τον κύριο μηχανισμό αλκαλοποίησης της ρίζας, φαινόμενο το οποίο πρόσφατα συγκεντρώνει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον.

Auxin polar transport controls plant growth and rapid responses to external stimuli. Potassium transporter TINY ROOT HAIR 1 (TRH1)/ KUP4 is a member of the K+ uptake/ high-affinity potassium K+ /K+ transporter (KUP/HAK/KT) family of potassium transporters and is known to affect auxin homeostasis at the root tip, regulating root hair morphogenesis and root gravitropism. The mechanism regarding how a K+ transporter is involved in auxin transport and consequently controls root system architecture still remains elusive. The aim of this thesis was to elucidate the unknown aspects of TRH1/KUP4 system function. Therefore, the TRH1/KUP4 system was initially expressed under the control of PIN gene promoters to specific root cell tissues. This targeted expression approach led to the uncoupling of two tightly auxin regulated developmental responses and revealed that the function of the TRH1/KUP4 system in acropetal auxin transport is critical for gravitropism, whereas in the basipetal auxin transport is important for root hair development. The application of auxin or auxin analogues demonstrated that TRH1/KUP4 is mainly involved in the control of auxin efflux. Transcriptome analysis revealed novel genes that control various biological processes, including gene expression, and consequently regulate root gravity response or root hair morphogenesis, both shaping root system architecture. In parallel, assays performed in acidic conditions shed light in an unknown aspect of the TRH1/KUP4 system concerning root plasticity and adaptation to stress. When the wild type plants were grown under low pH conditions, they partially showed phenotypic defects resembling these of trh1 mutant plants, most likely due to disturbance of auxin homeοstasis. Nevertheless, the trh1 plants exhibited a hypersensitive response to low pH conditions. This response revealed that the TRH1/KUP4 system modulates root growth patterning in response to extreme external conditions. An integrated analysis between the mode of rhizosphere acidification and the activity of the AHA proton pumps revealed the role of TRH1/KUP4 in the maintenance of charge balance within the root cell files. Taken together, the results support an unexplored functional role among the members of the KUP/HAK/KT family of K+ transporters, suggesting that TRH1/KUP4 is a major modulator of root apoplast alkalization. In addition to the acid growth theory, root alkalization is a recently documented biological process that attracts intense research interest.