Genomic and Physiological Characterization of the Mutant time for coffee within the Arabidopsis thaliana Circadian Clock

Sánchez Villarreal, Alfredo (2010). Genomic and Physiological Characterization of the Mutant time for coffee within the Arabidopsis thaliana Circadian Clock. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

ircadian clocks are internal timekeepers that provide organisms with a sense of time. These oscillators, which are entrained by external stimuli, predict the daily day/night transitions and have a periodicity of about 24 hours. The Arabidopsis thaliana circadian clock is composed of interconnected transcriptional-translational feedback loops. The morning expressed elements CCA1 and LHY, which are clock controlled and light inducible, repress the transcription of the evening element TOC1. At dusk, TOC1 repression is relieved as CCA1 and LHY protein diminish. Then TOC1 stimulates the expression of the morning components closing the loop. Still, how the light signal at dawn entrains this clock has remained elusive. time for coffee (tic) was originally reported as a circadian-clock mutant based on its early phase and a short period. It was found that tic is defective in sensing dawn because its clock incorrectly resets before morning light. Because TIC mRNA and protein were found to be constant through a diurnal cycle, an activation event could trigger TIC time-specific function within the oscillator. Therefore TIC action takes place before the expression of CCA1 and LHY and coincides in time with clock entrainment by light. In this thesis, I report the results from a microarray study that led to a detailed phenotypic analysis of tic in an effort to uncover the mechanism to clock entrainment. I could confirm and expand the defective clock-gene expression profile of tic. Interestingly tic showed increased transcriptional changes in response to the environment compared to wild type. Global transcriptomic analysis indicated that tic has altered redox homeostasis and defects in ABA signalling pathways. Furthermore GO enrichment analysis highlighted that stress and environmental responses were among the most abundant categories misexpressed in tic. In conclusion, TIC was found to be an essential component for global transcriptome reprogramming to a dawn light signal. The results obtained through the microarray analysis directed me to demonstrate that tic resulted in an array of pleiotropic phenotypes. Besides its clock defects, tic presented hypersensitivity to oxidative stress, altered ABA-related signalling and responses, such as drought tolerance, defects in iron homeostasis, alterations in starch metabolism and disrupted stress responses. Furthermore it is suggested that tic has a role in nucleotide and secondary metabolism. All together, I concluded that TIC functions in maintaining metabolic homeostasis through modulation of stress responses. In summary from the data presented here, I hypothesize that clock entrainment occurs through metabolic signals, probably derived from photosynthesis and cellular energy homeostasis. These signals would be integrated to the oscillator by TIC. In this way, TIC would promote the anticipation of the oncoming new day.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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Zirkadiane Uhren sind interne Zeitmesser, die Lebewesen mit einer Wahrnehmung für Zeit ausstatten. Diese Oszillatoren werden durch externe Stimuli eingestellt und ermöglichen den Organismen die Einregelung auf den 24-stündigen Tag/Nachtrhythmus. Die zirkadiane Uhr von Arabidopsis thaliana besteht aus einem Netzwerk von transkriptionellen und translationellen Rückkopplungen. Die am Morgen exprimierten Gene CCA1 und LHY sind durch Licht induzierbar und uhrenkontrolliert und können die Transkription des Abend-Gens TOC unterdrücken. Am Abend nimmt die Protein-Konzentration von CCA1 und LHY ab und die Repression von TOC wird somit aufgehoben. TOC1 stimuliert daraufhin die Expression der Morgen-Gene und schließt so den Tag/Nachtrhythmus. Welchen Einfluß das Licht am Morgen auf die Einstellung der Uhr hat, ist bisher unbekannt. Die zirkadiane Uhr Mutante time for coffee (tic) weist eine frühe Phase und kurze Periode auf. Es wurde gezeigt, dass tic einen Defekt in der Wahrnehmung der Morgendämmerung besitzt, da die zirkadiane Uhr vor dem Lichtsignal am Morgen zurückgestellt wird. Protein- und mRNA-Konzentration von TIC sind während des täglichen Tag/Nachtrhythmus konstant sodass eine Aktivierung von TIC für seine Funktion innerhalb des Oszillators verantwortlich sein muss. Die Funktion von TIC findet vor der Expression von CCA1 und LHY statt und stimmt somit zeitlich mit der Uhr-Einstellung durch Licht überein. In dieser Arbeit berichte ich die Ergebnisse einer Microarray-Analyse sowie einer detallierten phänotypischen Analyse der Mutante tic. Interessanterweise zeigt tic eine verstärkte transkriptionelle Antwort auf Umwelteinflüsse und Stress im Vergleich zum Wildtyp. Desweiteren besitzt tic einen Defekt in der ABA-Signaltransduktion sowie in der Redox-Homöostase. TIC ist somit essentiell für die globale Transkriptregulation als Antwort auf das Lichtsignal in der Morgendämmerung. Die Ergebnisse der Microarray-Analyse deuteten desweiteren auf eine Vielzahl von pleiotrophen Phänotypen hin. tic besitzt eine Hypersensitivität gegenüber oxidativem Stress, veränderte Toleranz für Trockenheit, Defekte in der Eisen-Homöostase, Veränderungen im Stärke-Metabolismus und eine gestörte Stress-Antwort. Außerdem scheint tic eine Rolle im Nukleotid- und sekundären Stoffwechsel zu spielen. Die Funktion von TIC scheint daher die Erhaltung der metabolischen Homöostase durch Modulation der Stress-Antwort zu sein. Aus den hier dargestellten Ergebnissen ziehe ich den Schluß, dass die Einstellung der zirkadianen Uhr durch metabolische Signale erfolgt, die möglicherweise aus der Photosynthese und der zellulären Energie-Homöostase stammen. Diese Signale könnten mithilfe von TIC in den Oszillator integriert werden. Dadurch würde TIC die Antizipation des neuen Tages vermitteln.

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