Ozone-induced signaling in Arabidopsis thaliana

Abstract

Tropospheric ozone (O3) is one of the most common air pollutants in industrialized countries, and an increasing problem in rapidly industrialising and developing countries in Asia, Africa and South America. Elevated concentrations of tropospheric O3 can lead to decrease in photosynthesis rate and therefore affect the normal metabolism, growth and seed production. Acute and high O3 episodes can lead to extensive damage leading to dead tissue in plants. Thus, O3 derived growth defects can lead to reduction in crop yield thereby leading to economical losses. Despite the extensive research on this area, many questions remain open on how these processes are controlled. In this study, the stress-induced signaling routes and the components involved were elucidated in more detail starting from visual damage to changes in gene expression, signaling routes and plant hormone interactions that are involved in O3-induced cell death. In order to elucidate O3-induced responses in Arabidopsis, mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling was studied using different hormonal signaling mutants. MAPKs were activated at the beginning of the O3 exposure. The activity of MAPKs, which were identified as AtMPK3 and AtMPK6, reached the maximum at 1 and 2 hours after the start of the exposure, respectively. The activity decreased back to clean air levels at 8 hours after the start of the exposure. Both AtMPK3 and AtMPK6 were translocated to nucleus at the beginning of the O3 exposure where they most likely affect gene expression. Differences were seen between different hormonal signaling mutants. Functional SA signaling was shown to be needed for the full protein levels and activation of AtMPK3. In addition, AtMPK3 and AtMPK6 activation was not dependent on ethylene signaling. Finally, jasmonic acid was also shown to have an impact on AtMPK3 protein levels and AtMPK3 activity. To further study O3-induced cell death, an earlier isolated O3 sensitive Arabidopsis mutant rcd1 was mapped, cloned and further characterized. RCD1 was shown to encode a gene with WWE and ADP-ribosylation domains known to be involved in protein-protein interactions and cell signaling. rcd1 was shown to be involved in many processes including hormonal signaling and regulation of stress-responsive genes. rcd1 is sensitive against O3 and apoplastic superoxide, but tolerant against paraquat that produces superoxide in chloroplast. rcd1 is also partially insensitive to glucose and has alterations in hormone responses. These alterations are seen as ABA insensitivity, reduced jasmonic acid sensitivity and reduced ethylene sensitivity. All these features suggest that RCD1 acts as an integrative node in hormonal signaling and it is involved in the hormonal regulation of several specific stress-responsive genes.

Further studies with the rcd1 mutant showed that it exhibits the classical features of programmed cell death, PCD, in response to O3. These include nuclear shrinkage, chromatin condensation, nuclear DNA degradation, cytosol vesiculation and accumulation of phenolic compounds and eventually patches of HR-like lesions. rcd1 was found to produce extensive amount of salicylic acid and jasmonic acid in response to O3. Double mutant studies showed that SA independent and dependent processes were involved in the O3-induced PCD in rcd1 and that increased sensitivity against JA led to increased sensitivity against O3. Furthermore, rcd1 had alterations in MAPK signature that resembled changes that were previously seen in mutants defective in SA and JA signaling.

Nitric oxide accumulation and its impact on O3-induced cell death were also studied. Transient accumulation of NO was seen at the beginning of the O3 exposure, and during late time points, NO accumulation coincided with the HR-like lesions. NO was shown to modify defense gene expression, such as, SA and ethylene biosynthetic genes. Furthermore, rcd1 was shown to produce more NO in control conditions. In conclusion, NO was shown to be involved in O3-induced signaling leading to attenuation of SA biosynthesis and other defense related genes.

Tämän väitöstyön tarkoituksena oli tutkia kasvien signaalinvälitystä solukuoleman eri vaiheissa. Otsoni (O3) on yksi maailman yleisimmistä ilmansaasteista teollistuneissa maissa ja kasvava ongelma myös kehittyvissä maissa. Kohonneet alailmakehän O3-pitoisuudet johtavat yhteyttämiskyvyn alenemiseen ja sitä kautta heikentävät kasvien kasvua ja siementuottoa. Äkilliset, korkeat O3-pitoisuudet puolestaan voivat aiheuttaa laajoja vaurioita, jotka lopulta johtavat solukon kuolemaan ja siten aiheuttavat satotappioita. Vielä ei tiedetä, miten otsonin aiheuttama solukuolema alkaa ja etenee, ja miten näitä prosesseja säädellään. Väitöstutkimukseni tarkoituksena olikin selvittää yksityiskohtaisesti otsonin aiheuttaman stressin signaalireittejä ja solukuoleman muodostumiseen osallistuvia tekijöitä. Väitöskirjassani solukuolema-ilmiötä tutkittiin usealla tasolla lähtien näkyvistä vaurioista aina muutoksiin geenien ilmentymisessä, signalointiverkostoissa sekä kasvihormonien pitoisuuksissa. Väitöstyössä käytettiin materiaalina mallikasvi lituruohoa (Arabidopsis thaliana), jonka koko genomi tunnetaan.

Otsonin aiheuttamia vasteita tutkittiin käyttäen lituruohoa ja sen eri mutantteja. MAPK (mitogen-activated protein kinase) signalointia tutkittiin käyttäen hormonisignalointi-mutanteja, joiden kyky siirtää signaalia kasvissa eteenpäin on muuttunut. MAP kinaasit aktivoituivat heti O3 käsittelyn alussa. Tarkempien tutkimusten perusteella havainnoitiin, että AtMPK3 ja AtMPK6 proteiinit siirtyivät tumaan, missä ne ilmeisesti vaikuttivat geenien ilmenemiseen. Eri hormonisignalointi-mutantit erosivat toisistaan vasteiltaan, mikä osoitti että hormonisignalointi on tärkeä osa O3-MAPK -vasteissa.

Otsonin aiheuttamaa solukuolemaa tutkittiin myös otsoniherkän lituruohomutantin rcd1: n (radical-induced cell death1) avulla. Ensin rcd1 mutaatio kartoitettiin ja karakterisoitiin tarkasti. RCD1 geenin havaittiin koodaavan tuntematonta proteiinia. Sekvenssianalyysien perusteella geenissä tunnistettiin WWE- ja ADP-ribosylaatio-osat, joiden tiedetään liittyvän proteiinien väliseen kanssakäymiseen sekä signalointiin solun sisällä. rcd1 mutantilla oli myös muuttunut superoksidiherkkyys verrattuna villityyppiin. Lisäksi rcd1:llä oli muutoksia hormoni- ja sokerivasteissa sekä hormonien tuotossa. Nämä muutokset viittaavat siihen, että RCD1 toimii hormonisignalointireittien solmukohdassa säädellen laajalti hormonisignalointia ja geenejä, jotka ovat tärkeitä stressivasteissa.

Väitöstyössäni tutkittiin myös typpioksidin (NO) muodostumista lituruoholla ja sen vaikutuksia otsonin aiheuttamaan solukuolemaan. NO on tunnettu signalointimolekyyli, jonka roolia solukuoleman muodostumisessa ei vielä tunneta. O3-altistuksen alussa nähtiin nopea, tilapäinen NO:n muodostuminen, minkä lisäksi myöhemmissä aikapisteissä havaittiin NO:n muodostumista solukuolema-alueilla. NO:n havaittiin vaikuttavan sekä kasvien puolustukseen että hormonien biosynteesiin osallistuvien geenien ilmenemiseen. Lisäksi NO:n näytettiin osallistuvan otsonin aiheuttamaan signalointiin, mikä johti muutoksiin tiettyjen kasvin puolustautumiseen osallistuvien geenien ilmenemisessä. Nämä tutkimukset osoittivat, että NO:lla on tärkeä rooli solukuoleman muodostumisessa.