Functional characterization of five genes implicated in cell wall integrity maintenance in Arabidopsis thaliana

Abstract

Celleveggen sikrar plantecella si struktur og vernar mot stress frå omverda. Ein naudsynt molekylær mekanisme står difor til grunne for å halde celleveggsstoda ved like, og dermed også planteveksten. Ei god forståing for dei underliggande mekanismane vil gjere betringar i biomasseproduksjon og matplanteyting moglege, noko som er naudsynt for framtidas material- og mattilhøve. Fem kandidatar i Arabidopsis thaliana blei velde etter litteratursøk kring RLP12 for å finne gen som kunne vere interessante for celleveggsstodevedlikehaldsmekanismen: Dei mikrotubuli-relaterte CMU1 og CMU2 ankrar plasmamembranen og stabiliserer celluloseavsetjing. FRA1 er involvert i avsetjing av matrisepolysakkarid, og kloridkanalane DTX33 og DTX35 i tonoplasten regulerer turgor. Celleveggsskade (CVS), mild hyperosmotisk stress, og samhandsamingar av T-DNA-innsetjingsspirar blei nytta for å undersøkje celleveggeffektar i fråvær av kandidatgena. Funksjonar blei skilde ut ved genuttrykksendringar og måling av relevante fytohormon, salisylsyre (SS), jasmonsyre (JS), og abscisinsyre (ABS), ved ein standard massespektrometrisk metode, og i tillegg gjennom ein salisylsyrebiosensor. Desse eksperimenta viste at alle kandidatane hadde endringar i fytohormonopphoping. Vidare blei DTX33 og DTX35 funne å modulere SS- og JS-opphoping ved CVS. I tillegg modulerte DTX35 også ABS produksjon ved hyperosmotisk stress, noko som tyder på ein særskild funksjon over DTX33. Det vart funne at FRA1 høvesvis modulerte JS ved CVS. Desse resultata ber om fleire undersøkingar av verkemåtane hjå desse gena i samanheng med respons til CVS.

Plant cell walls provide structure to the cell and defence against environmental stress. Plant cell growth is ensured by an essential molecular mechanism to maintain cell wall integrity. A better understanding of the underlying mechanisms will enable enhancement of biomass production and food crop performance to ensure future biomaterial availability and food security. To look for genes of interest to the cell wall integrity maintenance mechanism, an investigation was performed into literature surrounding RLP12. Based on this investigation, five candidate genes were chosen: The microtubule-associated CMU1 and CMU2 anchor the plasma membrane and stabilize cellulose deposition. FRA1 is involved in matrix polysaccharide deposition, and the tonoplast chloride channels DTX33 and DTX35 regulate turgor pressure. Cell wall damage (CWD), mild hyperosmotic stress, and co-treatments were applied to T-DNA insertion seedlings to study cell wall effects in the absence of the candidate genes. Functions were characterized by gene expression analysis and quantification of relevant phytohormones, salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA) and abscisic acid (ABA), through a standard mass spectrometry approach and a SA biosensor assay. Based on the results from these experiments, all of the candidates affected phytohormone levels. Furthermore, DTX33 and DTX35 were found to modulate CWD-induced SA and JA accumulation, and DTX35 also seemed to modulate ABA production in response to hyperosmotic stress, implying differing roles of the DTXs. FRA1 was found to differentially modulate JA production in response to CWD. These results prompt further inquiry into the modes of action for these genes in the context of CWD responses.