Universität zu Köln

Simon, Samson (2014). Evolution of CONSTANS Transcriptional Regulation and Protein Function in the Brassicaceae Family. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plants respond to seasonal changes in day length to control developmental transitions such as flowering and bud dormancy. In the model plant Arabidopsis thaliana (A. thaliana), CONSTANS (CO) activates the expression of FLOWERING LOCUS T (FT) specifically under long days, and FT protein then moves from the leaf to the shoot apical meristem where it promotes the transition to flowering. CO transcription is precisely regulated so that its mRNA is repressed in the morning and rises in the evening of a long day allowing activation of FT. Therefore, the diurnal pattern of CO transcription is an essential component of the regulation of flowering time in A. thaliana. The two closest homologs of CO in A. thaliana, CONSTANS-like 1 (COL1) and COL2 have no function in photoperiodic flowering response and show different mRNA patterns. All three genes evolved from a common ancestor after the latest whole genome duplication (At-α) in the lineage leading to A. thaliana that is believed to have occurred ~43 mya. The transcriptional patterns of CO and COL2 are conserved in the basal Brassicaceae species Aethionema arabicum. Also the CO homolog of this species but not its COL2 homolog can complement the co mutation in A. thaliana. As the Aethionema lineage represents the earliest split in the evolution of the Brassicaceae these findings indicate that CO function was already present at an early stage of Brassicaceae evolution and its activity is likely conserved throughout the family. The promoter of CO contains conserved sequence blocks which are shared in orthologs examined in ten Brassicaceaen species. DOF binding sites, E-Boxes and TCP binding sites are the most abundant cis-elements identified in ten CO promoters. Furthermore, DOF and TCP binding sites are strongly enriched in the promoters of CO genes compared to COL gene promoters. DOF binding sites are reported to enable binding of repressive CDF Transcription factors and were among the most highly conserved motifs in the promoters of CO orthologs. E-Boxes are putative binding sites for FLOWERING bHLH (FBH) TFs that function as transcriptional activators of CO. No role has so far been assigned for TCP transcription factors in regulation of CO transcription. Promoter reporter studies in A. thaliana revealed that the CO promoter contains functional regulatory sequences up to 2.6kb from the TS and that a short conserved regulatory motif that comprises DOF binding sites and is present both distally and proximally is sufficient to recreate mRNA patterns highly similar to endogenous CO. A model for the evolution of CO promoter is proposed in which downstream conserved DOF binding sites appeared distally upstream to regulate CO after the gene duplication leading to its diversification from COL1. Tarenaya hassleriana, a member of the Cleomaceae family which is sister to the Brassicaceae, has only one ortholog of CO (ThCOL) which shares one last common ancestral gene with CO, COL1 and COL2. ThCOL protein sequence is most similar to COL2 homologs from the Brassicaceae family. Additionally mRNA expression pattern and lower ability to promote early flowering in A. thaliana are common characteristics of this gene with COL1 and COL2 but not with CO. Hence, the transcriptional regulation of CO as well as an increase in capacity to promote flowering when compared to its close homologs COL1 and COL2 evolved in the Brassicaceae family and represents a novelty that arose in this family. My evolutionary studies indicate that CO evolved by gene duplication at the root of the Brassicaceae family. This gene then evolved a function in photoperiodic flowering through changes to its transcriptional regulation and protein function. Such a history contradicts the current view that CO has an ancient history predating the divergence of monocotyledonous and dicotyledonous angiosperms, but rather suggests that the role of CO homologous genes in conferring photoperiodic flowering might have evolved independently in different families of higher plants.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Pflanzen reagieren auf saisonale Änderung der Tageslänge um Entwicklungsschritte wie das Blühen oder die Knospenruhe zu kontrollieren. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (A. thaliana) aktiviert CONSTANS (CO) die Expression von FLOWERING LOCUS T (FT) am Ende eines Langtages. Daraufhin bewegt sich FT Protein vom Blatt zum Sprossapikalmeristem um dort den Wechsel zur reproduktiven Entwicklung einzuleiten. Die Transkription von CO ist präzise reguliert damit dessen mRNA am Morgen unterdrückt wird und erst am Abend eines Langtages ansteigt, was die Aktivierung von FT erlaubt. Das von der Tageszeit regulierte Profil der CO Transkription ist somit eine essentielle Komponente der Blühzeitregulation in A. thaliana. Die zwei ähnlichsten Homologe von CO in A. thaliana, CONSTANS-like 1 (COL1) und COL2 haben keine Funktion in der photoperiodischen Regulation der Blühzeit und weisen abweichende mRNA Profile auf. Alle drei Gene stammen von einem letzten gemeinsamen Vorgänger ab und sind nach der letzten Genomduplikation (At-α) die zur A. thaliana Linie geführt hat, welche vor ca. 43 Millionen Jahren stattfand, entstanden. Die Transkriptionsprofile von CO und COL2 sind in der basalen Brassicaceae Spezies Aethionema arabicum konserviert. Das CO Homolog aber nicht das COL2 Homolog von Aethionema arabicum ist in der Lage die co Mutation in A. thaliana zu komplementieren. Weil die Aethionema Linie sich als erstes von den Brassicaceae abgetrennt hat weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass die CO Funktion schon früh in der Brassicaeae Familie entstanden ist und das dessen Aktivität wahrscheinlich in der kompletten Familie konserviert ist. Der Promoter von CO enthält konservierte Blöcke, die in zehn verschiedenen Brassicaceae Spezies vorkommen. DOF Bindestellen, E-Boxen und TCP Bindestellen sind die am häufigsten vorkommenden cis-Bindestellen die in den CO Promotoren identifiziert werden konnten. Weiterhin sind DOF und TCP Bindestellen überrepräsentiert in den Promotoren von CO Genen im Vergleich zu denen von COL Genen. DOF Bindestellen werden von unterdrückenden CDF Transkriptionsfaktoren (TFs) gebunden und stellen die am höchsten konservierten Motive dar. E-Boxen sind mögliche Bindestellen für FLOWERING bHLH (FBH) TFs welche als transkriptionelle Aktivatoren von CO gelten. Für TCP Transkriptionsfaktoren wurde noch keine Funktion in der Regulation von CO festgestellt. Promoter Reporter Untersuchungen in A. thaliana haben gezeigt, dass CO Promoter regulatorische Sequenzen bis zu 2.6kb vom Transkriptionsstart enthält und das kurze konservierte regulatorische Motive, die DOF Bindestellen enthalten und sowohl distal als auch proximal vorkommen, ausreichend sind um mRNA Expressionsmuster ähnlich dem von endogenem CO zu vermitteln. Ein Model für die Evolution von dem CO Promoter wurde vorgeschlagen in dem nachliegende konservierte DOF Bindestellen nach der Genduplikation, die zur Diversifikation von COL1 geführt hat, distal vorliegend auftauchen um CO zu regulieren. Tarenaya hassleriana, ein Mitglied der Familie der Cleomaceae, einer Schwesterfamilie der Brassicaceae, hat nur ein Ortholog von CO (ThCOL) welches einen letzten gemeinsamen Vorgänger mit CO, COL1 und COL2 hat. ThCOL Proteinsequenz ist der von COL2 Homologen der Brassicaceae Familie am Ähnlichsten. Zusätzlich ist das mRNA Expressionsprofil und die geringere Fähigkeit frühzeitiges Blühen in A. thaliana zu aktivieren gemeinsame Charakteristiken mit COL1 und COL2 aber nicht mit CO. Also entstanden sowohl die transkriptionelle Regulation von CO also auch die erhöhte Fähigkeit Blühen auszulösen in der Familie der Brassicaceae und stellen somit Neuheiten dar. Meine evolutionären Untersuchungen weisen darauf hin, dass CO am Ursprung der Brassicaceae Familie durch Genduplikation entstanden ist. Dieses Gen hat dann eine Funktion in der photoperiodischen Blühregulation durch Änderungen in der transkriptionellen Regulation sowie der Proteinfunktion evolviert. Diese Darstellung wiederspricht der jetzigen Auffassung nach der CO vor der Entstehung von monokotyledonen und dikotyledonen Angiospermen schon vorhanden war, sondern deutet an, dass die Rolle von CO als Regulator vom photoperiodischem Blühen unabhängig in verschiedenen Familien der höheren Pflanzen entstanden ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Simon, Samson simon@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-58854
Date:	January 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language CONSTANS, Flowering Time, Evolution, Brassicaceae, English UNSPECIFIED English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	16 January 2014
Referee:	Name Academic Title Coupland, George Prof. Dr. Höcker, Ute Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5885