Genetic Analysis of Axillary Meristem Development in Arabidopsis: Roles of MIR164, CUC1, CUC2, CUC3 and LAS, and identification of novel regulators.

Raman Komnedath, Smita (2007). Genetic Analysis of Axillary Meristem Development in Arabidopsis: Roles of MIR164, CUC1, CUC2, CUC3 and LAS, and identification of novel regulators. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Aerial architecture and reproductive success in higher plants is determined by the formation of secondary axes of growth which are formed by axillary meristems initiated post-embryonically in the axils of leaves. Among the genetic modulators of axillary meristem fate in Arabidopsis is LATERAL SUPPRESSOR, a putative transcription factor belonging to the GRAS family, which specifically regulates the initiation of axillary meristems during the vegetative phase of development. The aim of this work was to study the mechanism of LAS function in the meristem and to identify new regulators of axillary meristem initiation in Arabidopsis. To study the spatio-temporal specification of its function, LAS was misexpressed from promoters of meristematic genes possessing adjoining or overlapping expression domains in the SAM. Analysis of STM::LAS, KNAT1::LAS and UFO::LAS transgenic plants in las-4 background revealed partial to complete complementation of the las-4 branching phenotype, but did not lead to the formation of ectopic meristems. These results imply a function for LAS in maintaining the meristematic potential in axillary cells which can later initiate axillary meristems upon activation by other developmental cues. A potential mechanism of LAS function in axillary meristems was investigated by GA spraying experiments and complementation analysis of LAS::GAI and LAS::GAI DELLA transgenic plants in las-4 mutant background. Preliminary results indicate a role for LAS as a regulator of GA signaling in axillary meristems. To identify new regulators of axillary meristem development, two approaches were employed. Firstly, an EMS mutagenesis screen was carried out to identify supperssors of the las-4 max1-1 phenotype. Characterisation of three suppressor of las-4 (sol) candidates, sol2, sol6 and sol7, revealed three novel loci that regulate axillary meristem development. sol2, sol6 and sol7 complemented the branching defect in las-4 max1-1 to different degrees and were found to be non-allelic to each other. Their phenotypes were dependent on the las-4 mutation. Molecular mapping of two of these loci is underway. Secondly, the NAC domain transcription factors CUP-SHAPED COTYLEDON1, CUC2 and CUC3, exhibiting a characteristic expression pattern in the axils of leaf primordia, were investigated for potential roles in the development of axillary meristems. Investigation of loss-of-function mutants of these genes revealed that cuc3-2 is impaired in axillary bud formation, and that the severity of this phenotype is day length dependent. Transcripts of the other two CUC genes, CUC1 and CUC2, are targeted for degradation by miR164. Overexpression of MIR164A or MIR164B in the cuc3-2 mutant caused an almost complete block in axillary bud development. Conversely, plants harbouring miR164-resistant alleles of CUC1 and CUC2 developed accessory buds in rosette and cauline leaf axils, revealing redundant functions of CUC1 and CUC2 in axillary meristem development. Development of accessory buds was also observed in mir164 mutants. Thus, the role of CUC genes and miR164 in regulation of axillary meristem development was unveiled in this study.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Genetische Analyse der Achselmeristementwicklung in Arabidopsis: Die Rolle von MIR164, CUC1, CUC2, CUC3 and LAS, und Identifikation neuer Regulatoren.	German

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Abstract

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Die Architektur und damit auch der reproduktive Erfolg höherer Pflanzen hängt in hohem Maße von der Bildung sekundärer Wachstumsachsen ab. Diese werden von Lateralmeristemen gebildet, die während der postembrionalen Entwicklung in den Blattachseln initiiert werden. Das LATERAL SUPPRESSOR (LAS)-Gen ist einer der Faktoren, die die Achselmeristemanlage genetisch kontrollieren. LAS gehört der GRAS-Familie von putativen Transkriptionsfaktoren an und reguliert die Initiation von Lateralmeristemen während der vegetativen Wachstumsphase. Ziel dieser Arbeit war es, den Mechanismus dieser Regulation zu untersuchen und neue Regulatoren der Achselmeristementwicklung zu identifizieren. Um die räumliche und zeitliche Spezifität der LAS-Funktion zu untersuchen, wurde dieses Gen unter den Promotoren verschiedener meristematischer Gene, mit angrenzenden oder überlappenden Expressionsdomänen, fehlexprimiert. In den Analysen von transgenen STM::LAS-, KNAT1::LAS- und UFO::LAS-Pflanzen im las-4-Hintergrund zeigte sich eine partielle oder vollständige Komplementation der las-Verzweigungsdefekts, nicht jedoch die Bildung ektopischer Meristeme. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass LAS ein Rolle in der Erhaltung des meristematischen Potentials von Achselzellen spielt, welche später durch entwicklungsspezifische Signale aktiviert, Lateralmeristeme anlegen können. Eine potentielle Rolle von LAS im GA-Signalweg wurde durch GA-Sprühexperimente und Analyse von transgenen LAS::GAI- und LAS::GAI DELLA-Pflanzen im las-4-Hintergrund untersucht. Vorläufige Ergebnisse deuten auf eine Rolle von LAS als Regulator im GA-Signalweg hin, der die Lateralmeristemanlage beeinflußt. Um neue Regulatoren der Achselmeristementwicklung zu identifizieren, wurden zwei Ansätze gewählt. Einerseits wurde ein EMS-Mutagenesescreen durchgeführt, um Mutanten zu identifizieren, die den las-4 max1-1-Phänotyp komplementieren. Auf diese Weise wurden drei Kandidatenlinien identifiziert, die suppressor of las-4 2 (sol2), sol6 und sol7 genannt wurden. Bei der Charakterisierung zeigte sich, dass es sich um nicht-allelische Loci handelt, die die Lateralmeristementwicklung beeinflussen und in der Lage sind, den las-4 max1-1-Phänotyp zu einem gewissen Grad komplementieren, wobei der Phänotyp vollständig von der las-4-Mutation abhängig ist. Die molekulare Kartierung dieser Loci ist in Arbeit. In einem weiteren Ansatz wurde untersucht, ob die Transkriptionsfaktoren CUP-SHAPED COTYLEDON1 (CUC1), CUC2 und CUC3 eine Rolle bei der Lateralmeristemanlage spielen, da sie eine charakteristische Expressionsdomäne in den Achseln von Blattprimordien besitzen. Die Analyse von Verlustmutanten zeigte, dass in cuc3-2-Pflanzen die Achselknospenbildung gestört ist, wobei das Ausmaß tageslängenabhängig ist. Die Transkripte von CUC1 und CUC2 werden durch die mikroRNA164 (miR164) abgebaut. Die Überexpression von MIR164A oder MIR164B im cuc3-2-Hintergrund führte zu einem annähernd vollständigen Ausfall der Achselknospenbildung. Im Gegensatz dazu entwickelten transgene Pflanzen mit miR164-resistenen Allelen von CUC1 und CUC2 akzessorische Knospen in Rosetten- und Stengelblattachseln, was auf eine redundante Funktion von CUC1 und CUC2 in der Lateralmeristementwicklung hinweist. Dementsprechend wurden auch akzessorische Seitentriebe in mir164-Mutanten beobachtet. Folglich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die CUC-Gene und miR164 eine Funktion haben bei der Regulation der Achselmeristementwicklung.

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