Home About Browse Search
Svenska


Novel insights into vacuole-mediated control of plant growth and immunity

Liu, Qinsong (2016). Novel insights into vacuole-mediated control of plant growth and immunity. Diss. (sammanfattning/summary) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2016:71
ISBN 978-91-576-8644-2
eISBN 978-91-576-8645-9
[Doctoral thesis]

[img]
Preview
PDF
2MB

Abstract

Plant vacuoles are organelles with numerous biological functions in growth, development, and stress responses. These include maintenance of turgor pressure, storage of minerals and proteins, and degradation of cellular content delivered by endosomal trafficking and autophagy pathways. Intriguingly, vacuolar and autophagic processes have been implicated in hormone signaling during growth and immune responses, and in the regulation of programmed cell death (PCD). However, the molecular players and mechanisms underlying the vacuole-mediated control of growth and immunity remain poorly understood, and this thesis therefore aimed at improving our understanding of these systems.

For this purpose, previously isolated lazarus (laz) suppressors of constitutive cell death in the Arabidopsis mutant accelerated cell death 11 (acd11) were characterized. LAZ4 encodes the retromer component VACUOLAR PROTEIN SORTING 35B (VPS35B). VPS35 proteins were found to contribute to certain forms of immunity-related cell death and disease resistance. Furthermore, retromer-dependent vacuole trafficking and integrity were shown to be essential for autophagy processes under basal and immunity-associated conditions.

Another LAZ suppressor, LAZ1, and its closest homolog LAZ1H1 encode DUF300 domain-containing proteins and were found to localize to the tonoplast. Combined loss-of-function mutations in LAZ1 and LAZ1H1 resulted in altered vacuole morphology, growth inhibition, and constitutive activation of brassinosteroid (BR) hormone signaling. Vacuolar trafficking and degradation of the BR receptor BRI1 were shown to be enhanced in the laz1 laz1h1 mutant and associated with increased tonoplast accumulation of the BRI1 co-receptor BAK1. Since unrelated vacuole mutants exhibited normal BR responses, tonoplast DUF300 proteins were suggested to play distinct roles in the regulation of BR signaling. In addition, laz1 laz1h1 plants were impaired in basal autophagy. Since the laz1 single mutant showed a similar autophagic defect upon starvation and immunity-related PCD, LAZ1 was proposed to be the main contributor to autophagy function.

Finally, the impact of enhanced autophagy on plant productivity and stress tolerance was analyzed. Constitutive overexpression of the autophagy-related genes ATG5 or ATG7 in Arabidopsis was shown to stimulate autophagy flux, which promoted immunity-related cell death and enhanced resistance to oxidative stress and necrotrophic fungal pathogens. Furthermore, increased autophagy improved vegetative growth and increased seed production. Therefore, genetic enhancement of autophagy levels could be potentially used in plants to improve various agronomically important traits.

Authors/Creators:Liu, Qinsong
Title:Novel insights into vacuole-mediated control of plant growth and immunity
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Nya insikter i vakuol-medierad kontroll av växternas tillväxt och immunsvar

Växternas vakuoler är en form av organeller med viktiga funktioner rörande tillväxt, utveckling och stress-svar. De bidrar till att bibehålla cellers vätsketryck, till lagring av proteiner och andra substanser, och till utsöndring av kemiska försvarsämnen. Dessutom utgör vakuoler en del av cellens inre membransystem och har en roll i nedbrytningen av främmande ämnen som kommer in i cellen genom vesikulär transport och autofagi. Vakuolära och autofagiska processer antas också ha betydelse för hormonell signalering under tillväxt och immunsvar, liksom i regleringen av programmerad celldöd (PCD). Emellertid är de molekylära processer som ligger bakom en vakuol-medierad kontroll av tillväxt och immunsvar i stort sett okända, och denna avhandling har därför syftat till att öka förståelsen av dessa processer.

För detta ändamål karaktäriserades ett antal tidigare identifierade lazarus (laz)-suppressorer av konstitutiv celldöd i Arabidopsis-mutanten accelerated cell death 11 (acd11). LAZ4 kodar för retromer-komponenten VACUOLAR PROTEIN SORTING 35B (VPS35B). VPS35-proteiner visades bidra till vissa former av immunitetsrelaterad celldöd och sjukdomsresistens. En retromer-beroende vakuolär transport och integritet visades dessutom vara nödvändig för autofagi-processer under normala förhållanden, liksom under patogen-inducerad PCD.

En annan LAZ-suppressor, LAZ1, och dess närmaste homolog LAZ1H1, kodar för DUF300 domän-proteiner, och visades vara lokaliserade i det tonoplast-membran som omger vakuolen. Kombinerade mutationer av LAZ1 och LAZ1H1 ledde till en förändrad vakuolär morfologi, inhibering av tillväxt, och till en konstitutiv aktivering av hormonell brassinosteroid (BR) signalering. Vakuolär transport och nedbrytning av BR-receptorn BRI1 visades öka i laz1 laz1h1-mutanten, och var associerad med en ackumulering av BRI1s co-receptor BAK1. Eftersom andra typer av vakuolära mutanter visade normala BR-respons, föreslogs det att DUF300-proteiner i tonoplasten har en specifik roll i regleringen av BR-signalering genom att bibehålla den vakuolära integritet som krävs för att på subcellulär nivå balansera BAK1-nivåer och fördelning av BR-receptorn. Utöver ändrad vakuolär funktion och hormonell signalering, visades laz1 laz1h1-mutanten också ha en defekt basal autofagi. Eftersom den enkla laz1-mutanten visade en likande autofagisk defekt under bristförhållanden och immunitets-relaterad PCD, tyder resultaten på att LAZ1 är en central komponent för en fungerande autofagi.

Slutligen analyserades en inverkan av ökad autofagi på växtens produktivitet och stress-tolerans. Överuttryck i Arabidopsis av de autofagi-relaterade generna ATG5 eller ATG7 visades stimulera autofagi. Detta ledde i sin tur till en stimulerad immunitets-relaterad celldöd, och ökade toleransen mot oxidativ stress och nekrotrofiska svamp-patogener. Dessutom förbättrades även vegetativ tillväxt och fröproduktion. En genetisk stimulering av autofagi-processen kan därigenom komma att utnyttjas för att stärka ett brett spektrum av agronomiskt viktiga egenskaper, utan en samtidig minskning av reproduktiv kapacitet.

Series/Journal:Acta Universitatis agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :11 August 2016
Depositing date:11 August 2016
Volume:2016:71
Number of Pages:86
Papers/manuscripts:
NumberReferences
IMunch, D.*, Teh, O.K.*, Malinovsky, F.G.*, Liu Q., Vetukuri, R.R., El Kasmi, F., Brodersen, P., Hara-Nishimura, I., Dangl, J.L., Petersen, M., Mundy, J. & Hofius D. (2015). Retromer contributes to immunity-associated cell death in Arabidopsis. The Plant Cell 27, 463-479. * These authors contributed equally to the work.
IILiu, Q., Vain, T., Viotti, C., Tarkowská, D., Novák, O., Sitbon, F., Robert, S. & Hofius D. (2016). Arabidopsis DUF300 proteins at the tonoplast are required for regulation of brassinosteroid hormone signaling. (Submitted).
IIILiu, Q., Hafrén, A., Andersen, S.U. & Hofius D. The tonoplast DUF300 protein LAZ1 is required for immunity-asscociated autophagy in Arabidopsis. (Manuscript).
IVMinina, E.A., Moschou, P.N.*, Vetukuri, R.R.*, Sanchez-Vera, V.*, Liu, Q.*, Beganovic, M., Yilmaz, J.L., Shabala, L., Suarez, M.F., Shabala, S., Stymne, S., Hofius, D. & Bozhkov P.V. (2016) Transcriptional stimulation of autophagy improves plant fitness. * These authors contributed equally to the work.
Place of Publication:Uppsala
Publisher:Department of Plant Biology, Swedish University of Agricultural Sciences
ISBN for printed version:978-91-576-8644-2
ISBN for electronic version:978-91-576-8645-9
ISSN:1652-6880
Language:English
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:F Plant production > F60 Plant physiology and biochemistry
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 106 Biological Sciences (Medical to be 3 and Agricultural to be 4) > Other Biological Topics
Agrovoc terms:arabidopsis, vacuoles, hormones, immune response, cell death, plant growth, plant growth substances
Keywords:Arabidopsis, vacuole, retromer, DUF300 proteins, autophagy
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-3585
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-3585
ID Code:13564
Faculty:NJ - Fakulteten för naturresurser och jordbruksvetenskap
Department:(NL, NJ) > Department of Plant Biology (from 140101)
Deposited By: Mr Qinsong Liu
Deposited On:11 Aug 2016 11:09
Metadata Last Modified:12 Aug 2016 05:30

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits