Coordinated integrations of light growth regulator cues enhance plant morphogenic adaptation to environmental changes

Abstract

Plants in early developmental stages, from soil emergence to seedling establishment, experience dramatic changes in surrounding environments. Seedlings are particularly sensitive to changes imposed by environmental stimuli, such as light and temperature, and undergo morphological changes to achieve the best fitness. Alterations in plant body are elaborately shaped by coordination of diverse endogenous signaling pathways with external signals. Thus, studies on signaling crosstalks between endogenous and external signaling pathways are essential for understanding physiological responses of seedlings to fluctuating environments. However, not yet unexplored molecular and genetic linkages between endogenous signaling pathway and environmental cues still exist. In this study, I investigated molecular and genetic mechanisms underlying morphogenic adaptation of hypocotyls regulated by endogenous signaling pathways under varying light and temperature environments. In Chapter 1, I discuss the effects of a plant hormone ethylene on hypocotyl thermomorphogenesis in the light. The gaseous phytohormone ethylene plays vital roles in diverse developmental and environmental adaptation processes, such as fruit ripening, seedling establishment, mechanical stress tolerance and submergence escape. It is also known that in the light, ethylene promotes hypocotyl growth by stimulating the expression of PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3 (PIF3) transcription factor, which triggers microtubule reorganization during hypocotyl cell elongation. In particular, ethylene has been implicated in plant responses to warm temperatures in recent years. However, it is currently unclear how ethylene signals are functionally associated with hypocotyl thermomorphogenesis at the molecular level. Here, I show that ETHYLENE-INSENSITIVE 3 (EIN3)-mediated ethylene signals attenuate hypocotyl thermomorphogenesis by suppressing auxin responses. At warm temperatures, when the activity of the PIF4 thermomorphogenesis promoter is prominently high, the ethylene-activated EIN3 transcription factor directly induces the transcription of ARABIDOPSIS PP2C CLADE D7 (APD7) gene encoding a protein phosphatase that inactivates the plasma membrane (PM) H+-ATPase proton pumps. In conjunction with the promotive role of the PM H+-ATPases in hypocotyl cell elongation, these observations strongly support that the EIN3-directed induction of APD7 gene is linked with the suppression of auxin-induced cell expansion, leading to the reduction in thermomorphogenic hypocotyl growth. These data demonstrate that APD7 acts as a molecular hub that integrates ethylene and auxin signals into hypocotyl thermomorphogenesis. I propose that the ethylene–auxin signaling crosstalks via the EIN3-APD7 module facilitate the fine-tuning of hypocotyl thermomorphogenesis under natural environments, which often fluctuate in a complex manner. In Chapter 2, studies on molecular crosstalks between karrikin (KAR) and GA (gibberellic acid)/DELLA signaling pathways in the hypocotyl deetiolation process are described. Morphogenic adaptation of young seedlings to light environments is a critical developmental process that ensures plant survival and propagation, as they emerge from the soil. The photomorphogenic responses are facilitated by a network of light and growth hormonal signals, such as auxin and GA. KARs, a group of small butenolide compounds that is produced from burning plant materials in wildfires, are known to stimulate seed germination in fire-prone plant species. Notably, recent studies strongly support that they also facilitate seedling establishment, while underlying molecular mechanisms have been unexplored yet. Here, I demonstrate that SUPPRESSOR OF MAX2 1 (SMAX1), a negative regulator of KAR signaling, integrates light and KAR signals into GA-DELLA pathways that regulate hypocotyl growth during seedling photomorphogenesis and establishment. SMAX1-deficient Arabidopsis mutants exhibited a reduced hypocotyl elongation, and the short hypocotyl phenotypes were efficiently rescued by exogenous GA application and mutations in DELLA genes, such as REPRESSOR OF ga1-3 (RGA) and GIBBERELLIC ACID INSENSITIVE (GAI). Consistently, I found that SMAX1 facilitates the degradation of DELLA proteins in the hypocotyls in the light. Interestingly, light induces the accumulation of SMAX1 proteins, and the SMAX1-mediated degradation of DELLA is elevated in seedling establishment during the dark-to-light transition. These observations indicate that the SMAX1-mediated integration of light and KAR signals into GA pathways elaborately modulates seedling establishment. I propose that SMAX1 serves as a safeguard that ensures an optimized photomorphogenesis upon exposure to KARs, which is indicative of clear growth environments, as encountered following wildfires in nature.

새싹돋움에서부터 새싹확립까지의 초기 발달 단계에 있는 식물들은 극심한 주변 환경 변화를 겪게 된다. 새싹들은 빛과 온도와 같은 환경 자극의 작은 변화에도 민감하게 반응하고 기관의 형태적 변화를 통해서 그 환경에 유리한 건강한 식물체를 얻고자 한다. 이런 식물체의 변화들은 외부 환경 신호들과 식물체 내의 신호전달경로들의 조직적 및 통합적인 조절 과정으로 인해 만들어지게 된다. 그러므로, 내•외부 신호전달 경로 간의 신호교차들을 연구하는 것은 환경변화에 대한 식물 새싹의 생리적인 반응들을 이해하는 데 필수적이다. 하지만, 아직까지 연구되지 않은 내•외부 신호전달 경로 간 분자적 유전자적 연결점이 여전히 존재한다. 본 연구에서는 변화하는 빛과 온도 환경 하에서, 내부적인 신호전달경로들에 의해 조절되는 새싹 줄기의 형태적 적응에 대한 분자적•유전자적 기작을 연구하였다. 제 1장에서는 빛이 있는 환경에서의 새싹 줄기 온도형태형성에 대한 식물호르몬 에틸렌의 작용에 대해 연구하였다. 기체 상태의 식물호르몬 에틸렌은 과일숙성, 새싹확립, 물리적 자극에 대한 스트레스 저항력, 그리고 잠수탈출과 같은 다양한 발달적•환경적 적응 과정에 중요한 역할을 한다. 또한, 빛이 있는 환경에서, 에틸렌은 PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 3 (PIF3) 전사인자의 발현량을 증가시켜 새싹의 줄기 세포의 미소관의 재조립을 통해 새싹의 줄기 생장을 촉진한다고 알려져 있다. 특히, 최근에 식물의 온도 반응성에 대한 에틸렌이 연관되어 있음이 밝혀지고 있었다. 그러나, 아직까지는 어떻게 에틸렌 신호가 새싹 줄기의 온도형태형성을 조절하는 지에 대한 분자적인 수준에서 연구된 바 없다. 본 연구에서는, ETHYLENE-INSENSITIVE 3 (EIN3) 에 의한 에틸렌 신호가 또 다른 식물호르몬인 오옥신 (auxin) 의 반응성을 억제함으로써 새싹 줄기 온도형태형성을 약화시킨다는 것을 밝혔다. 온도형태형성을 촉진하는 PIF4 전사인자가 활성화되는 비교적 따뜻한 온도에서는, 에틸렌에 의해 활성화된 EIN3 전사인자가 직접적으로 원형질막의 H+-ATPase 양성자펌프를 불활성화하는 단백질 탈인산화효소가 코드화되어 있는 ARABIDOPSIS PP2C CLADE D7 (APD7) 유전자의 전사를 유도한다. 기존에 알려진 H+-ATPase의 세포 생장을 촉진하는 역할과 더불어, 본 연구에서 밝힌 EIN3에 의한 APD7 유전자의 전사 유도가 오옥신에 의한 세포 생장을 억제하는 것과 연관되어 제한된 새싹 줄기의 온도형태형성에 기인할 것이라 생각된다. 이에 따라, APD7은 새싹 줄기 온도형태형성에서 에틸렌과 오옥신 신호들을 통합하는 분자적인 중추라고 정리할 수 있다. EIN3-APD7 모듈에 의해 에틸렌-오옥신 신호 전달 경로 간의 교차가 일어나는 것은 여러 환경자극들이 복잡한 방법으로 종종 변하는 자연적인 환경에서 새싹 줄기 온도형태형성을 세밀하게 조정하기 위함이라 생각된다. 제 2장에서는 탈황화과정 (deetiolation process) 에서 새싹의 줄기 안에서 일어나는 카리킨 (KAR) 과 지베렐린산 (gibberellic acid) /DELLA 신호 전달 경로들 간의 교차에 대한 연구를 기술하였다. 빛 자극에 대한 어린 새싹들의 형태적인 적응은 흙 안을 벗어난 후의 생존과 번영을 보장하는 중요한 발달 과정이다. 빛형태형성적 반응들은 오옥신과 지베렐린산과 같은 생장호르몬들과 빛 신호들의 네트워크에 의해 조절된다. 들불에 의해 불타는 식물체에서 생성되는 작은 뷰테놀라이드계 화합물들 중의 일부분인 카리킨은 불에 약한 식물종들의 씨앗 발아를 촉진한다고 알려져 있다. 흥미롭게도, 최근 연구에 따르면, 카리킨은 새싹확립을 용이하게 해준다고 알려져 있다. 하지만 그에 대한 분자적인 기작에 대해서는 아직 알려진 바 없다. 본 연구에서는 카리킨 신호 전달의 음성조절자인 SUPPRESSOR OF MAX2 1 (SMAX1) 이 빛과 카리킨 신호들을 새싹 빛형태형성과 확립 과정 중 새싹 줄기 생장을 조절하는 지베렐린산-DELLA 신호전달경로에 통합시킨다는 것을 밝혔다. SMAX1이 결여된 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 돌연변이체들은 짧은 새싹 줄기 표현형을 보여주고, 그 짧은 표현형은 외부적인 지베렐린산 첨가와 REPRESSOR OF ga1-3 (RGA) 과 GIBBERELLIC ACID INSENSITIVE (GAI) 과 같은 DELLA 유전자들을 돌연변이 시킴으로써 회복되는 것을 보여주었다. 이와 일관되게, 빛 조건 하에서 새싹 줄기 내의 SMAX1이 DELLA 단백질들의 분해를 용이하게 해준다는 것을 발견하였다. 흥미롭게도, 빛 자극은 SMAX1 단백질의 축적을 유도하고 SMAX1에 의한 DELLA 단백질의 분해 과정은 빛 환경으로 전환될 때 더 촉진된다. 본 연구에서는 SMAX1에 의해 지베렐린산 신호전달경로로 빛과 카리킨 신호들이 통합되는 것이 새싹확립 과정을 세밀히 조절하는 것을 밝혔다. 이를 통해, 자연적으로 발생하여 주변을 태워 깨끗이 정리하는 들불에 의해 생성되는 카리킨이 주는 최적의 생장 환경이 있다는 지시 신호에 따라 SMAX1은 빛형태형성의 최적화를 보장하는 보호 장치로서 작용한다 생각된다.