Molecular mechanisms for thermostable circadian clock in Arabidopsis and thigmomorphogenetic responses to environmental changes in Brachypodium

Abstract

식물은 주변 환경의 영향을 받는다는 것이 잘 알려져 있다. 대표적인 환경적 자극 요인으로는 빛과 온도의 변동, 바람이나 홍수, 동물의 움직임에 의한 물리적인 자극 등이 있다. 식물은 환경적 자극에 대응하여 다양한 적응 전략을 발달시켜왔다. 예를 들어, 생체시계는 외부의 환경 변화를 예측하고 인지함으로써 식물 내의 다양한 생리 발달 과정을 조절하고 식물의 생장을 최적화한다. 본 연구에서는 이러한 생체시계의 열 안정성과 관련된 분자 기작에 대해서 알아보았다. 한편, 접촉이나 바람과 같은 환경적 자극은 생체 시계뿐만 아니라 외형의 변화를 유도하기도 한다. 이러한 물리적 자극에 의한 외형적 변화를 접촉형태형성(thigmomorphogenesis)이라고 한다. 본 연구에서는 바람에 의한 숲개밀의 뿌리 형성에 대한 표현형을 분석하고, 외떡잎식물의 뿌리 발달 기작을 기반으로 호르몬의 조절 방법에 대해서 논의하였다. 제1 장에서는 열 스트레스 하에서 ZEITLUPE (ZTL)의 protein quality control 기능에 대해 다루었다. 세포 단백질은 고온 스트레스 하에서 변성 및 산화에 의한 손상을 받아 세포 내에 독성을 가지는 불용성 응집체를 형성한다. 변성된 단백질은 원래의 형태로 재생되거나 세포질 구획에서 제거된다. 이 과정을 protein quality control이라고 하며, heat shock protein (HSP)은 변성된 단백질 재생 과정을 돕는 분자 샤페론 역할을 한다. 본 연구에서는 고온에 의해 변성된 단백질 응집체가 애기장대의 생체시계 조절 인자인 ZTL에 의한 protein quality control 기작에 의해 제거됨을 증명하였다. ZTL은 변성된 단백질을 polyubiquitination 시킴으로써 proteasomal degradation 과정으로 유도한다. ZTL이 없는 돌연변이체(ztl)에서는 고온에 의해 유도되는 polyubiquitination이 충분히 일어나지 못하므로 insoluble한 단백질 응집체가 더욱 많이 쌓이게 되며, 고온에 취약한 표현형을 보인다. 또한, ztl 돌연변이체가 고온에서 생체시계 리듬이 깨지는 현상을 관찰한 바, ZTL을 통한 protein quality control이 식물 생체시계의 고온 안정성에 기여한다고 제안하였다. 나아가 샤페론인 HSP90과 ZTL단백질의 interaction이 고온에서도 유지되며, HSP90의 발현이 낮은 식물체의 polyubiquitination 정도와 생체시계 리듬의 고온 반응성이 ztl 돌연변이체와 유사한 양상을 보인다는 것을 통해 HSP90과 ZTL이 기능적인 측면에서 관련되어 있다는 것을 알 수 있었다. 제2 장에서는 부정근 형성에 대한 바람의 영향에 대해서 논의하였다. 바람에 의한 물리적 자극은 식물의 키를 작게 하고 방사형으로 넓고 튼튼하게 자라도록 한다. 또한 뿌리의 발달에서도 다양한 효과를 일으킨다고 알려져 있다. 그러나 식물이 어떤 기작으로 바람을 인지하고 적응 발달을 일으키는지는 알려지지 않았다. 본 연구에서는 외떡잎식물 종의 모델 식물인 숲개밀이 바람에 의한 자극에 적응하기 위해서 부정근을 형성한다는 것을 발견하였다. 부정근은 바람에 의한 식물체의 흔들림을 막고, 지면과 식물의 고착면을 넓힘으로써 뿌리가 안정적으로 식물을 지탱하도록 한다. 복합적인 환경적 자극인 바람을 물리적인 접촉 자극, 공기 압력 자극, 중력 자극 등으로 나누어 분석한 결과, 중경(mesocotyl)의 접힘 현상보다는 leaf node와 흙의 물리적 접촉이 부정근 형성을 유도한다는 것을 밝혔다. 또한, 오옥신과 에틸렌 신호 억제제를 처리한 후 식물의 부정근 형성 양상을 관찰함으로써, 에틸렌보다는 오옥신이 부정근의 접촉형태형성에 깊게 관여되어 있음을 알 수 있었다. 오옥신은 관련 유전자인 WUSCHEL RELATED HOMEOBOX와 LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN 전사 인자들의 발현을 유도함으로써 바람에 의한 부정근 형성에 참여한다는 것을 밝혔다.

It is widely perceived that plants are influenced by surrounding environment. The representative environmental stimuli are light, temperature fluctuation, and mechanical touch, such as rubbing and bending by passing animals, wind, and flooding. Plants have developed various adaptation strategies to cope with the environmental changes. For example, the circadian clock predicts the environmental changes and generates diurnal rhythms of numerous physiological and developmental processes in most living organisms to synchronize with surrounding conditions. In this study, I investigated the molecular mechanisms that contribute to thermostability of circadian clock in Arabidopsis. Otherwise, some environmental stimuli, such as touch or wind, induce the morphological changes as well as clock rhythm of plants. The adaptive growth which accompanies with morphological changes is termed thigmomorphogenesis. Thigmomorphogenesis has been reported in the early stage of plant research, but the noticeable studies are not shown recently. Here, I described the phenotypic analysis of Brachypodium root formation under windy conditions. And hormonal regulation underlying the root development mechanisms in monocotyledon plants was also proposed. In chapter 1, a role of ZEITLUPE (ZTL) in protein quality control under heat stress is described. Cellular proteins undergo denaturation and oxidative damages under heat stress, forming insoluble aggregates that are toxic to cells. Denatured proteins are either renatured to their native conformations or removed from cellular compartments, which are processes often termed as protein quality control. Heat shock proteins (HSPs) act as molecular chaperones that assist the renaturation-degradation process. Here, I demonstrated that heat-induced protein aggregates are removed by a protein quality control system that includes the ZTL, a central clock component in Arabidopsis. ZTL mediates the polyubiquitination of aggregated proteins, which leads to proteasomal degradation, and enhances the thermotolerance of plants growing at high temperatures. Insufficient heat-induced polyubiquitination in ztl-105 results in increased protein aggregates thus, thermosensitive phenotype. Notably, the circadian clock was hypersensitive to heat in the ztl-105 mutant. I propose that ZTL-mediated protein quality control contributes to thermal stability of the clock. Moreover, the reduced levels of polyubiquitination and thermosensitive circadian clock in HSP90 RNAi plants indicate that HSP90 and ZTL are functionally related at high temperatures. In chapter 2, influence of wind stimulation and adventitious root formation are discussed. Wind-driven mechanical stimulation is known to induce the incidence of radial expansion and shorter and stockier statue. Wind stimulation also affects the adaptive propagation of the root system in various plant species. However, it is unknown how plants sense and transmit the wind-derived mechanical signals to launch appropriate responses, leading to the wind-adaptive root growth. Here, I found that Brachypodium distachyon, a model grass widely used for studies on bioenergy crops and cereals, efficiently adapts to wind-driven mechanical stress by forming adventitious roots (ARs), which are formed from nonroot tissues. The ARs prevent the leaf flipping of the plants by anchoring in soil. Experimental dissection of wind stimuli revealed that not the bending of the mesocotyls but physical contact of leaf nodes with soil triggers AR formation. Moreover, it was observed that inhibition of auxin transport is critical for AR emergence and/or elongation. Wind stimulation triggers the transcriptional induction of a group of auxin-responsive genes encoding WUSCHEL RELATED HOMEOBOX and LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN transcription factors, which are intimately associated with the induction of AR formation. My findings would contribute to further understanding molecular mechanisms governing the initiation and development of ARs, which will be applicable to crop agriculture in extreme wind climates.