Comparative analyses between shade-avoider and shade-tolerant species: the role of phytochrome B

Abstract

[EN] Plants sense the presence of competing neighboring vegetation (shade) as a change in light quality (i.e., a reduced ratio of red to far-red light), a signal perceived by the phytochrome photoreceptors, which act as light-inducible molecular switches. Responses to shade are generally referred to as the shade avoidance syndrome (SAS) and involve changes in growth and development. In Arabidopsis thaliana, SAS responses include increased hypocotyl elongation, reduced accumulation of photosynthetic pigments or flowering induction. Genetic analyses in A. thaliana indicate that the photostable phytochrome B (phyB) is the major phytochrome controlling the shade-induced hypocotyl elongation, and the photolabile phytochrome A (phyA) has an antagonistic negative role in this same response. The SAS is initiated, at least partly, by the inhibition of the interaction of active phyB with various Phytocrome interacting factors (PIFs), which results in rapid changes in the expression of dozens of Phytocrome rapidly regulated (PAR) genes, several of which are instrumental for implementing the SAS responses. Genetic analyses indicate that PIFs, proteins of the bHLH family of transcription factors, act as positive players of the hypocotyl SAS responses; and PIF7 is the key PIF, with minor contributions of PIF4 and PIF5, regulating the shade-induced hypocotyl elongation. Additional genetic analyses demonstrated positive, negative and complex roles in SAS regulation for several PAR genes encoding transcriptional regulators, including the negative regulators long Hypocotyl IN FR1 (HFR1) and elongated Hypocotyl5 (HY5). In contrast with A. thaliana, other species have evolved to tolerate plant shade (e.g., those naturally growing in the forest floors). When shade is perceived, shade-tolerant species lack the characteristic stem or hypocotyl elongation response to "escape" from shaded conditions. To understand shade tolerance, we are working with Cardamine hirsuta, an A. thaliana relative that has emerged as a powerful model system for making comparative trait analyses, because it has a shade-tolerant habit (i.e., its hypocotyls do not elongate in response to simulated shade). Using a genetic approach, we showed that the lack of shade-induced hypocotyl response in this species is caused by the enhanced activity of phyA and HFR1, two components already known to repress the SAS in A. thaliana. Therefore, shade avoidance and shade tolerance, despite representing opposite adaptive strategies to vegetation proximity, appear to share molecular mechanisms and/or genetic components, although working in different ways. GOAL. The general objective of this master project proposal is to understand how shade tolerance genetically and molecularly works. To do so, we aim to get a more complete genetic map of the components that regulate this adaptive strategy by identifying mutants in C. hirsuta with altered levels and activities in specific light signaling components identified as having a role in SAS control in A. thaliana, likely controlling also shade tolerance. Previous results and rationale. - In the shade avoider A. thaliana, phyA, phyB, PIF4, PIF5, PIF7, HFR1 and HY5 act as regulators of the shade-induced hypocotyl elongation response. Our genetic and molecular analyses showed that phyA, HFR1, PIF7 and HY5 (Qin & Martinez-Garcia, unpublished data) are required for implementing shade tolerance in C. hirsuta. We hypothesize that other A. thaliana SAS regulators, such as phyB, might also have a role in implementing shade tolerance in C. hirsuta. To address this task, we will further characterize how phyB levels affect the shade-induced hypocotyl elongation in the reference species A. thaliana. We will also explore if photoreceptor activities of C. hirsuta were substantially different to those of A. thaliana, as previously suggested.

[ES] Las plantas perciben la presencia de vegetación vecina competidora (sombra) como un cambio en la calidad de la luz (es decir, una proporción reducida de luz roja a luz roja lejana, R:FR), señal percibida por los fotorreceptores de fitocromos, que actúan como interruptores moleculares inducibles por la luz. Las respuestas a la sombra generalmente se denominan síndrome de evitación de la sombra (SAS) e implican cambios en el crecimiento y el desarrollo. En Arabidopsis thaliana, las respuestas de SAS incluyen una mayor elongación del hipocótilo, menor acumulación de pigmentos fotosintéticos o inducción de la floración. Los análisis genéticos en A. thaliana indican que el fitocromo B fotoestable (phyB) es el principal fitocromo que controla el alargamiento del hipocótilo inducido por la sombra, y el fitocromo A fotolábil (phyA) tiene un papel antagónico negativo en esta misma respuesta. El SAS se inicia, al menos en parte, por la inhibición de la interacción del phyB activo con varios facores de interacción de fitocromos (PIF), lo que da como resultado cambios rápidos en la expresión de docenas de genes de regulación rápida de fitocromos (PAR), varios de los cuales son fundamental para implementar las respuestas del SAS. Los análisis genéticos indican que los PIF, proteínas de la familia de factores de transcripción bHLH, actúan como jugadores positivos de las respuestas SAS del hipocótilo; y PIF7 es el PIF clave, con contribuciones menores de PIF4 y PIF5, que regulan el alargamiento del hipocotilo inducido por la sombra. Análisis genéticos adicionales demostraron funciones positivas, negativas y complejas en la regulación de SAS para varios genes PAR que codifican reguladores transcripcionales, incluidos los reguladores negativos Long Hypocotyl in FR1 (HFR1) y elongated Hypocotyl5 (HY5). En contraste con A. thaliana, otras especies han evolucionado para tolerar la sombra de las plantas (p. ej., aquellas que crecen naturalmente en los suelos de los bosques). Cuando se percibe sombra, las especies tolerantes a la sombra carecen de la respuesta característica de elongación del tallo o del hipocótilo para "escapar" de las condiciones de sombra. Para comprender la tolerancia a la sombra, estamos trabajando con Cardamine hirsuta, un pariente de A. thaliana que se ha convertido en un poderoso sistema modelo para realizar análisis de rasgos comparativos, porque tiene un hábito tolerante a la sombra (es decir, sus hipocótilos no se alargan en respuesta a sombra simulada). Usando un enfoque genético, demostramos que la falta de respuesta hipocótila inducida por la sombra en esta especie es causada por la actividad mejorada de phyA y HFR1, dos componentes que ya se sabe que reprimen el SAS en A. thaliana. Por lo tanto, la evitación de la sombra y la tolerancia a la sombra, a pesar de representar estrategias adaptativas opuestas a la proximidad de la vegetación, parecen compartir mecanismos moleculares y/o componentes genéticos, aunque funcionan de diferentes maneras. El objetivo general de esta tesis de master es comprender cómo funciona genética y molecularmente la tolerancia a la sombra. Para hacerlo, nuestro objetivo es obtener un mapa genético más completo de los componentes que regulan esta estrategia adaptativa mediante la identificación de mutantes en C. hirsuta con niveles y actividades alterados en componentes de señalización de luz específicos identificados como que tienen un papel en el control de SAS en A. thaliana, probablemente controlando también la tolerancia a la sombra. Resultados previos y justificación. - En el evitador de sombra A. thaliana, phyA, phyB, PIF4, PIF5, PIF7, HFR1 y HY5 actúan como reguladores de la respuesta de elongación del hipocótilo inducida por la sombra. Nuestros análisis genéticos y moleculares mostraron que phyA, HFR1, PIF7 y HY5 (Qin & Martinez-Garcia, datos no publicados) son necesarios para implementar la tolerancia a la sombra en C. hirsuta. Nuestra hipótesis es que otros reguladores de A. thaliana SAS, como phyB, también podrían desempeñar un papel en la implementación de la tolerancia a la sombra en C. hirsuta. Para abordar esta tarea, caracterizaremos aún más cómo los niveles de phyB afectan el alargamiento del hipocotilo inducido por la sombra en la especie de referencia A. thaliana. También exploraremos si las actividades de los fotorreceptores de C. hirsuta eran sustancialmente diferentes a las de A. thaliana, como se sugirió anteriormente.