Universität zu Köln

Balcerowicz, Martin (2013). Genetic and Biochemical Characterisation of Light Signalling Events during Arabidopsis Seedling and Stomata Development. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plants have evolved a complex regulatory network to perceive and transmit light signals. In Arabidopsis, the COP1/SPA complex acts as a central repressor within this network. It forms part of a ubiquitin ligase that targets activators of the light response for degradation and thereby regulates processes such as seedling development, stomata differentiation, vegetative plant growth and the induction of flowering. But while light signal transduction has been extensively studied over the past decades, light regulation of the COP1/SPA complex is still not fully understood and in some aspects of plant development, additional regulators of the light response are yet to be identified. In the first part of this study, I investigated the role of the SPA proteins within the COP1/SPA complex and their regulation by light. Light controls COP1 nucleocytoplasmic partitioning, but monitoring COP1 subcellular localisation in a spa quadruple mutant showed that its nuclear accumulation in darkness is not changed by the absence of the SPA proteins. However, analysis of protein levels revealed that SPA1 and SPA2 are themselves regulated by rapid, light-induced proteasomal degradation, suggesting that light inactivates COP1/SPA complexes in part by reducing SPA protein levels. SPA2 is more strongly degraded than SPA1, which correlates with the fact that SPA2, but not SPA1, loses its repressor function when seedlings are exposed to light. However, degradation is not the sole reason for the lack of SPA2 function in light-grown seedlings, implying that an additional post-translational mechanism must inactivate the remaining SPA2 protein in the cell. In the second part of this study, I characterised the Aux/IAA protein AXR3, a repressor of auxin signalling, as a novel regulator of light-dependent stomatal development. The axr3-1 gain-of-function mutant displays enhanced stomata formation in darkness, which results from increased cell divisions in the stomatal lineage. Epistasis analysis demonstrated that AXR3 acts genetically upstream of the YDA MAP kinase cascade, but in parallel with COP1, TMM and members of the ER family to regulate stomatal development. Furthermore, this study showed that auxin is required for the suppression of stomata formation in darkness while light appears to counteract its effect. Taken together, these results imply that AXR3 regulates stomatal development in response to light and auxin signals although the mechanism of this regulation remains elusive.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Pflanzen haben ein komplexes Regulationsnetzwerk für die Wahrnehmung von Lichtsignalen entwickelt. Der COP1/SPA-Komplex fungiert als zentraler Repressor innerhalb dieses Netzwerks in Arabidopsis. Er ist Teil einer Ubiquitinligase, welche die Degradation von positiven Faktoren der Lichtantwort induziert und damit Prozesse wie Keimlingsentwicklung, Stomatadifferenzierung, vegetatives Pflanzenwachstum und Blühinduktion reguliert. Obwohl die Lichtsignaltransduktion innerhalb der letzten Jahrzehnte umfassend untersucht worden ist, ist die Lichtregulation des COP1/SPA-Komplexes noch nicht vollständig geklärt. Darüber hinaus sind weitere Faktoren für eine normale Lichtantwort erforderlich, doch nicht in allen Bereichen der lichtgesteuerten Entwicklung sind diese Faktoren bereits identifiziert worden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit habe ich die Rolle der SPA-Proteine innerhalb des COP1/SPA-Komplexes und ihre Regulation durch Licht untersucht. Licht kontrolliert die Lokalisation von COP1 innerhalb der Zelle, allerdings zeigte die Beobachtung der subzellulären Lokalisation von COP1 in einer spa Quadrupelmutante, dass seine Akkumulation im Zellkern in Dunkelheit durch die Abwesenheit der SPA-Proteine nicht beeinflusst wird. Analyse der SPA Proteinlevel zeigte jedoch, dass SPA1 und SPA2 selbst durch rasche, licht-induzierte Degradation im 26S-Proteasom reguliert werden, was nahelegt, dass Licht den COP1/SPA-Komplex zumindest zum Teil durch Reduzierung der SPA-Proteinlevel inaktiviert. SPA2 wird stärker degradiert als SPA1, was mit der Tatsache korreliert, dass SPA2, aber nicht SPA1, seine Repressorfunktion verliert, wenn Keimlinge dem Licht ausgesetzt sind. Allerdings ist die Degradation nicht der einzige Grund für die Unterdrückung der SPA2-Repressorfunktion in im Licht gewachsenen Keimlingen, weshalb angenommen werden kann, dass ein weiterer post-translationaler Mechanismus das verbliebene SPA2-Protein in der Zelle inaktiviert. Im zweiten Teil dieser Arbeit habe ich das Aux/IAA-Protein AXR3, einen Repressor der Auxin-Signaltransduktion, als einen neuen Regulator der lichtabhängigen Stomataentwicklung charakterisiert. Die Gain-of-function-Mutation axr3-1 führt zu verstärkter Stomatabildung in Dunkelheit, welche aus erhöhter Zellteilung innerhalb der Stomata-Zelllinie resultiert. Epistasieanalyse offenbarte, dass AXR3 oberhalb der YDA MAP-Kinasekaskade, jedoch parallel mit COP1, TMM und Mitgliedern der ER-Familie wirkt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Auxin für die Unterdrückung der Stomataentwicklung im Dunkeln benötigt wird, wohingegen Licht diesem Effekt entgegenwirkt. Zusammengenommen weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass AXR3 die Stomataentwicklung in Antwort auf Auxin- und Lichtsignale reguliert, auch wenn der Mechanismus dieser Regulation noch unklar ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Balcerowicz, Martin martin.balcerowicz@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-56110
Date:	26 August 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Light signal transduction English Auxin English Stomatal development English Arabidopsis English
Date of oral exam:	17 October 2013
Referee:	Name Academic Title Höcker, Ute Prof. Dr. Hülskamp, Martin Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5611