Universität zu Köln

Domagalska, Malgorzata (2006). Genetic analyses of brassinosteroid control of flowering time in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

A main developmental switch in the life cycle of a flowering plant is the transition from vegetative to reproductive growth. To maximize reproductive success, the timing of the floral transition must be precisely controlled. In Arabidopsis, at least four genetic pathways, the photoperiod, the autonomous, the vernalization, and the gibberellin (GA) pathways, which integrate endogenous and environmental signals, regulate the timing of this transition. A genetic screen was performed to identify additional components in the flowering-regulating network. This resulted in the isolation of two alleles of bri1 as enhancers of the late-flowering phenotype of the autonomous mutant luminidependens (ld). BRI1 encodes an LRR-RLK (leucine-rich repeats receptor-like kinase) that functions as a receptor for brassinosteroids (BRs), thus the result of the screen indicated that BRI1 or BRs could play a role in the floral timing. The aim of this thesis was to define and compare the roles of BRI1 and BRs in floral transition. The studies were extended with examination of potential genetic interactions between BRs, GAs, and abscisic acid (ABA) in the control of the transition to the reproductive phase in Arabidopsis. To place BRI1 in the flowering-genetic network, genetic and molecular-genetic approaches were used. Based on the analyses of various double mutants, which included combinations between bri1 and known flowering-time mutants, it was concluded that the BRI1 pathway has only a limited interaction with the photoperiod and the gibberellin pathways, and functions independently from vernalization. BRI1 functions in part through the autonomous pathway. Synergistic interaction between the BRI1 and the autonomous pathways was further confirmed by gene-expression studies. The bri1 autonomous/FRI lines exhibited enhanced expression of the potent floral repressor FLC, which is known to be regulated by the autonomous and FRI pathways. The increased levels of FLC was accompanied by reduced expression of the downstream targets, FT, SOC1, LFY, whose expression is important for the floral transition to occur. Moreover, specific reduction of FLC via RNAi accelerated flowering of the bri1 ld double mutant. Based on the presented results, a model was proposed that describes the BRI1 role in flowering-time control, where BRI1 promotes flowering by genetically interacting with the autonomous pathway to repress the potent floral repressor FLC. To define the relationship between BRI1 and BRs, the flowering-time phenotypes of the bri1 mutant and a BR-biosynthesis mutant cpd were compared. It could be inferred from these studies that the BR pathway also interacts with the autonomous pathway, and the bri1 phenotype could be partly explained by the BR-deficiency. However, due to differences in the flowering behavior of cpd and bri1, it was proposed that BRI1 also exerts its function through unknown BRI1-specific factors. The plausible mechanisms explaining additional flowering phenotypes of the bri1 were discussed. The role of BRs in the control of flowering time was also studied in the context of its possible interactions with the GA- and ABA-regulated pathways. The analyses of flowering phenotypes of double mutant combination deficient in BRs, ABA, GA did not reveal strong genetic interactions. The expression studies of key flowering-time genes in single and double hormone mutant combinations supported the model where the balance in the levels of these three hormones is necessary for appropriate timing of floral transition. Furthermore, based on the mild phenotype of the BR/ABA-deficient mutants, and the flowering behaviors of transgenic lines that overexpress DWF4, NCED3, and GA5, leading to BR-, ABA- and GA- overproducing phenotypes, respectively, it has been concluded that GA has a limiting, and BR, ABA have the supporting function in the control of flowering time in Arabidopsis. Attempts were made to verify whether the BR-pathway converge on the promoter of LFY, which is one of the floral-pathways integrators. For this purpose, the LFY::LUC+ reporter system was constructed, validated, and tested for BR-induction. No clear activation of the LFY promoter in the BR-overproducing lines was observed. In summary, the results described here provide evidence that both the BR-receptor BRI1 and brassinosteroids are important factors of floral-regulating network in Arabidopsis. Surprisingly, however, BRI1 exerts its effects on flowering only partially through the BR-regulated pathway. The nature of BRI1-specific effects on flowering time remains to be investigated.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der wichtigste Entwicklungsschritt im Lebenszyklus einer Blühpflanze ist der Übergang von vegetativem zu reproduktivem Wachstum. Zur Maximierung des Reproduktionserfolges muss der Zeitpunkt dieses Übergangs präzise kontrolliert werden. In Arabidopsis regulieren mindestens vier genetische Signalwege, der photoperiodische Weg, der autonome Weg, die Vernalisierung und der Gibberellin-Weg, die jeweils endogene Signale und Umweltsignale integrieren, den Zeitpunkt des Übergangs. Zur Identifikation weiterer Komponenten des Kontrollnetzwerkes des Blühzeitpunktes wurde eine genetische Analyse durchgeführt. Dabei wurden zwei Allele von bri1 als Verstärker eines spätblühenden Phänotyps der Autonom-Mutante luminidependens (ld) identifiziert. BRI1 kodiert für LRR-RLK (leucine rich repeat � Receptor like kinase), einem Rezeptor für Brassinosteroide (BRs). Das Ergebnis der Analyse deutete auf die Beteiligung von BRI1 oder BRs an der zeitlichen Kontrolle des Blühzeitpunkts hin. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, den Einfluss von BRI1 und BRs auf den Blühzeitpunkt zu definieren und zu vergleichen. Erweitert wurde die Arbeit durch die Untersuchung möglicher genetischer Interaktionen von BRs, Gibberellinsäure (GA) und Abscisinsäure (ABA) bei der Kontrolle des Übergangs von vegetativer zu reproduktiver Phase in Arabidopsis. Um die Position von BRI1 im genetischen Netzwerk des Blühzeitpunkts zu bestimmen, wurden genetische und molekularbiologische Ansätze verwendet. Aus der Analyse verschiedener Doppelmutanten, einschließlich der Kombinationen von bri1 mit bereits bekannten Blühzeitpunkt-Mutanten, konnte geschlossen werden, dass der BRI1-Signalweg nur geringe Wechselwirkungen mit dem photoperiodischen und dem Gibberellin-Weg hat und von der Vernalisierung unabhängig ist. Die Wirkung von BRI1 entfaltet sich teilweise im autonomen Signalweg. Die synergistische Wechselwirkung von BRI1 und dem autonomen Weg wurde durch Genexpressionsstudien bestätigt. Die bri1 autonom/FRI Linien zeigte eine erhöhte Expression des starken Blüh-Repressors FLC, der durch den autonomen und den FRI Signalweg reguliert wird. Die erhöhte FLC-Konzentration wurde von einer reduzierten Expression seiner nachgeordneten Targets FT, SOC1 und LFY begleitet, deren Expression für den Übergang in die Blühphase wichtig ist. Ferner beschleunigte die spezifische Reduktion von FLC durch RNAi den Blühzeitpunkt der bri1 ld Doppelmutante. Basierend auf den gezeigten Ergebnissen wurde ein Modell zur Rolle von BRI1 in der Kontrolle des Blühzeitpunktes entwickelt, in dem BRI1 den Blühzeitpunkt durch die Wechselwirkung mit dem autonomen Signalweg und der Unterdrückung des starken Blührepressors FLC indirekt fördert. Zur Bestimmung der Wechselwirkung von BRI1 und BRs wurden die Phänotypen der Blühzeitmutante bri1 und BR-biosynthese Mutanten cpd verglichen. Daruas ergab sich, dass der BR Signalweg mit dem autonomen Signalweg interagiert und dass der bri1 Phänotyp teilweise durch eine BR-Defizienz erklärt werden kann. Die Unterschiede im Blühverhalten von cpd und bri1 deuten jedoch darauf hin, dass BRI1 seine Wirkung auch durch bislang unbekannte BRI1-spezifische Interaktoren ausübt. Mögliche Erklärungen für die verschiedenen Phänotypen werden diskutiert. Die Rolle von BRs in der Kontrolle des Blühzeitpunktes wurde auch im Hinblick auf mögliche Interaktionen mit den GA- und ABA-regulierten Signalwegen untersucht. Die Analyse von Blüh-Phänotypen verschiedener Kombinationen von Doppelmutanten mit Defizienzen bei BRs, ABA oder GA ergab keine starken genetischen Wechselwirkungen. Expressionsstudien der Schlüsselgene des Blühzeitpunktes in diesen Einfach- und Doppelhormonmutanten unterstützte die These, nach der die Balance der Konzentration dieser drei Hormone für die Kontrolle des Blühzeitpunktes notwendig ist. Aus dem milden Phänotyp der BR/ABA-defizienten Mutanten und dem Blühverhalten der transgenen Überexpressionslinien DWF4, NCED3 und GA5, die BR, ABA und GA überproduzieren, wurde geschlossen, dass GA einen limitierenden Effekt und BR und ABA eine unterstützende Funktion in der Kontrolle des Blühzeitpunktes in Arabidopsis haben. Weitere Untersuchungen sollten klären, ob der BR-Signalweg den LFY Promoter als einer der wesentlichen Integratoren der Kontrolle des Blühzeitpunkts aktiviert. Dazu wurde ein LFY:LUC+ Reporter-System konstruiert, validiert und auf die Induktion von BR getestet. Es wurde jedoch keine klare Aktivierung des LFY promoters in BR-überproduzierenden Linien beobachtet. Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse, dass sowohl der BR-Rezeptor BRI1 wie auch Brassinosteroide selbst wichtige Faktoren im Netzwerk der Blühzeitpunkt-Regulation in Arabidopsis sind. Erstaunlicherweise entfaltet BRI1 seine Wirkung auf das Blüherhalten nur teilweise durch den BR-regulierten Signalweg. Der Charakter der spezifischen Effekte von BR bleibt daher noch zu untersuchen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Domagalska, Malgorzata gosia@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-20347
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language brassinosteroid, arabidopsis, flowering time English
Date of oral exam:	12 June 2006
Referee:	Name Academic Title Coupland, George Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2034