Genética Química aplicada a la señalización por giberelinas y fosfato en Arabidopsis

Abstract

Chemical Genetics is a powerful approach that uses small molecules to probe gene function. In this Theses, we have used it to identify compounds that help us to i) dissect a plant signaling pathway, and ii) to solve a problem in agriculture. In both cases, we have screened a library of 10.000 compounds. Gibberellins are plant hormones that regulate multiple transitions in plant development and that allow them to tune their growth and development according to the environmental conditions. Gibberellin signaling proceeds through the degradation of DELLA proteins, the negative regulators of the pathway that regulate gene expression through the interaction with multiple transcription factors. To further dissect this pathway, we have sought to identify compounds with gibberellin-like activity affecting only a subset of processes. For that purpose, we have performed two screenings, in one of them we have searched for compounds affecting cell expansion in Arabidopsis seedlings, and in the other for compounds that prevent the interaction of a DELLA protein with a particular transcription factor in yeast two-hybrid assays. We have identified compounds with the expected behavior: compounds that activate the pathways downstream of the receptor, and others that prevent interaction with ARR1, BZR1, PIF4 or KAN1. Phosphorus is an essential element for plants and it is only absorbed in phosphate form, which is obtained from limited, not renewable sources and for which there is no alternative. As consequence, the cost of phosphate application in the field is steadily increasing. We have established collaboration with Dadelos Agrosolutions S.L. to identify compounds that improve phosphate assimilation. We have screened a chemical library and selected compounds based in their ability to down regulate the Arabidopsis IPS1::GUS reporter under suboptimal phosphate concentrations, under which it is normally on. Importantly, these compounds enhance the growth capacity of the plants under suboptimal phosphate concentrations.

La Genética química es una potente herramienta basada en el empleo de moléculas para estudiar funciones génicas conocidas o descubrir nuevas funciones, mediante la identificación de compuestos químicos que interfieran o promuevan ciertos procesos biológicos de interés. En esta tesis se ha explorado el uso de la genética química con el fin de diseccionar rutas de señalización en plantas, tanto con un objetivo de generar conocimiento fundamental, como con un objetivo más aplicado. En ambos casos, el abordaje ha consistido en el rastreo de una quimioteca de 10 mil compuestos, para encontrar aquéllos con las propiedades deseadas. Las giberelinas son hormonas vegetales que regulan distintas transiciones del desarrollo de las plantas, y permiten optimizar el patrón de crecimiento en función de las condiciones ambientales. La señalización por giberelinas supone la inducción de la degradación de las proteínas DELLA, proteínas de localización nuclear que regulan la expresión génica mediante la interacción física con más de 100 factores de transcripción. El hecho de que estas hormonas generen efectos tan amplios nos ha impulsado a la búsqueda de compuestos equivalentes a las giberelinas pero que afecten sólo a algunos procesos en concreto, sin alterar el resto. Para ello hemos realizado dos rastreos: el primero buscando compuestos agonistas de giberelinas en la expansión celular en Arabidopsis, y el segundo buscando compuestos que impidan de forma selectiva la interacción entre DELLAs y sólo un subgrupo reducido de factores de transcripción mediante el ensayo de doble híbrido en levadura. En ambos casos, los rastreos han permitido identificar moléculas con el comportamiento deseado: moléculas que activan la ruta de giberelinas de forma independiente de su receptor (es decir, en etapas posteriores de la señalización), y moléculas que inhiben la interacción de DELLAs preferentemente con ARR1, BZR1, PIF4 y KAN1. El fósforo es un componente esencial para las plantas, y éstas lo toman en forma de fosfato inorgánico, cuya fuente, la roca fosfórica, es un recurso limitado, no renovable y del que no se dispone alternativa. Debido a ello la fertilización fosfatada sufre un encarecimiento sostenido. En colaboración con Dadelos Agrosolutions S.L. se han buscado compuestos que mejoren la capacidad de asimilación de fosfato, mediante el rastreo de la quimioteca y la selección de moléculas que permitan reprimir la expresión del marcador IPS1::GUS en Arabidopsis en condiciones subóptimas de fosfato en las que este testigo está normalmente encendido. Se han podido encontrar tres compuestos que aumentan la capacidad del fosfato de reprimir la expresión génica, a la vez que aumentan la capacidad de crecimiento de las plantas en presencia de concentraciones subóptimas de fosfato.

La Genètica química és una potent eina basada en l'ús de molècules per estudiar funcions gèniques conegudes o descobrir noves funcions, mitjançant la identificació de compostos químics que interfereixin o promoguin certs processos biològics d'interès. En aquesta tesi s'ha explorat l'ús de la genètica química per tal de disseccionar rutes de senyalització en plantes, tant amb un objectiu de generar coneixement fonamental, com amb un objectiu més aplicat. En ambdós casos, l'abordatge ha consistit en el rastreig d'una quimioteca de 10 mil compostos, per trobar aquells amb les propietats desitjades. Les gibberel·lines són hormones vegetals que regulen diferents transicions del desenvolupament de les plantes, i permeten optimitzar el patró de creixement en funció de les condicions ambientals. La senyalització per gibberel·lines suposa la inducció de la degradació de les proteïnes DELLA, proteïnes de localització nuclear que regulen l'expressió gènica mitjançant la interacció física amb més de 100 factors de transcripció. El fet que aquestes hormones generin efectes tan amplis ens ha impulsat a la recerca de compostos equivalents a les gibberel·lines però que afectin només a alguns processos en concret, sense alterar la resta. Per això hem realitzat dos rastrejos: el primer buscant compostos agonistes de gibberel·lines en l'expansió cel·lular en Arabidopsis, i el segon buscant compostos que impedeixin de manera selectiva la interacció entre DELLAs i només un subgrup reduït de factors de transcripció mitjançant l'assaig de doble híbrid en llevat. En tots dos casos, els rastrejos han permès identificar molècules amb el comportament desitjat: molècules que activen la ruta de gibberel·lines de forma independent del seu receptor (és a dir, en etapes posteriors de la senyalització), i molècules que inhibeixen la interacció de DELLAs preferentment amb ARR1, BZR1, PIF4 i KAN1. El fòsfor és un component essencial per a les plantes, i aquestes ho prenen en forma de fosfat inorgànic, del qual la font, la roca fosfòrica, és un recurs limitat, no renovable i del qual no es disposa alternativa. A causa d'això la fertilització fosfatada pateix un encariment sostingut. En col·laboració amb Dadelos Agrosolutions S.L. s'han buscat compostos que millorin la capacitat d'assimilació de fosfat, mitjançant el rastreig de la quimioteca i la selecció de molècules que permetin reprimir l'expressió del marcador IPS::GUS en Arabidopsis en condicions subòptimes de fosfat en les que aquest està normalment encès. S'han pogut trobar tres compostos que augmenten la capacitat del fosfat per a reprimir l'expressió gènica, alhora que augmenten la capacitat de creixement de les plantes en presència de concentracions subòptimes de fosfat.