Genome-Wide Transcriptional Responses to Shade: Linking Shade Avoidance and Auxin
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Unicentre CH-1015 Lausanne http://serval.unil.ch Year : 2015 Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin Kohnen Markus Kohnen Markus, 2015, Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin Originally published at : Thesis, University of Lausanne Posted at the University of Lausanne Open Archive http://serval.unil.ch Document URN : urn:nbn:ch:serval-BIB_728980A08A5D0 Droits d’auteur L'Université de Lausanne attire expressément l'attention des utilisateurs sur le fait que tous les documents publiés dans l'Archive SERVAL sont protégés par le droit d'auteur, conformément à la loi fédérale sur le droit d'auteur et les droits voisins (LDA). A ce titre, il est indispensable d'obtenir le consentement préalable de l'auteur et/ou de l’éditeur avant toute utilisation d'une oeuvre ou d'une partie d'une oeuvre ne relevant pas d'une utilisation à des fins personnelles au sens de la LDA (art. 19, al. 1 lettre a). A défaut, tout contrevenant s'expose aux sanctions prévues par cette loi. Nous déclinons toute responsabilité en la matière. Copyright The University of Lausanne expressly draws the attention of users to the fact that all documents published in the SERVAL Archive are protected by copyright in accordance with federal law on copyright and similar rights (LDA). Accordingly it is indispensable to obtain prior consent from the author and/or publisher before any use of a work or part of a work for purposes other than personal use within the meaning of LDA (art. 19, para. 1 letter a). Failure to do so will expose offenders to the sanctions laid down by this law. We accept no liability in this respect. Unicentre CH-1015 Lausanne http://serval.unil.ch Year : 2015 Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin Kohnen Markus Kohnen Markus, 2015, Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin Originally published at : Thesis, University of Lausanne Posted at the University of Lausanne Open Archive http://serval.unil.ch Document URN : urn:nbn:ch:serval-BIB_728980A08A5D0 Droits d’auteur L'Université de Lausanne attire expressément l'attention des utilisateurs sur le fait que tous les documents publiés dans l'Archive SERVAL sont protégés par le droit d'auteur, conformément à la loi fédérale sur le droit d'auteur et les droits voisins (LDA). A ce titre, il est indispensable d'obtenir le consentement préalable de l'auteur et/ou de l’éditeur avant toute utilisation d'une oeuvre ou d'une partie d'une oeuvre ne relevant pas d'une utilisation à des fins personnelles au sens de la LDA (art. 19, al. 1 lettre a). A défaut, tout contrevenant s'expose aux sanctions prévues par cette loi. Nous déclinons toute responsabilité en la matière. Copyright The University of Lausanne expressly draws the attention of users to the fact that all documents published in the SERVAL Archive are protected by copyright in accordance with federal law on copyright and similar rights (LDA). Accordingly it is indispensable to obtain prior consent from the author and/or publisher before any use of a work or part of a work for purposes other than personal use within the meaning of LDA (art. 19, para. 1 letter a). Failure to do so will expose offenders to the sanctions laid down by this law. We accept no liability in this respect. Centre Intégratif Génomique Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin Thèse de doctorat en sciences de la vie (PhD) présentée à la Faculté de biologie et de médecine de l’Université de Lausanne par Markus Kohnen Diplomé en sciences biologiques de Eberhard-Karls-Universität en Tübingen Jury Prof. Andreas Mayer, Président, Université de Lausanne, Suisse Prof. Christian Fankhauser, Directeur de thèse, Université de Lausanne, Suisse Prof. Ioannis Xenarios, co-Directeur, Université de Lausanne, Suisse Prof. Andreas Hiltbrunner, Expert, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Allemagne Prof. Philippe Reymond, Expert, Université de Lausanne, Suisse Lausanne, 2015 UNIL 1 Université de Lausanne Ecole Doctorale Faculté de biologie Doctorat ès sciences de la vie et de médecine Imprimatur Vu le rapport présenté par le jury d'examen, composé de Président Monsieur Prof. Andreas Mayer Directeur de thèse Monsieur Prof. Christian Fankhauser Co-directeur de thèse Monsieur Prof. Ioannis Xenarios Experts Monsieur Prof. Philippe Reymond Monsieur Prof. Andreas Hiltbrunner le Conseil de Faculté autorise l'impression de la thèse de Monsieur Markus Kohnen biologiste diplômé de l'Université de Tübingen, Allemagne intitulée Genome-wide transcriptional responses to shade Linking shade avoidance and auxin Lausanne, le 11 février 2015 Prof. Abstract Plants have the ability to use the composition of incident light as a cue to adapt development and growth to their environment. Arabidopsis thaliana as well as many crops are best adapted to sunny habitats. When subjected to shade, these plants exhibit a variety of physiological responses collectively called shade avoidance syndrome (SAS). It includes increased growth of hypocotyl and petioles, decreased growth rate of cotyledons and reduced branching and crop yield. These responses are mainly mediated by phytochrome photoreceptors, which exist either in an active, far-red light (FR) absorbing or an inactive, red light (R) absorbing isoform. In direct sunlight, the R to FR light (R/FR) ratio is high and converts the phytochromes into their physiologically active state. The phytochromes interact with downstream transcription factors such as PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR (PIF), which are subsequently degraded. Light filtered through a canopy is strongly depleted in R, which result in a low R/FR ratio and renders the phytochromes inactive. Protein levels of downstream transcription factors are stabilized, which initiates the expression of shade-induced genes such as HFR1, PIL1 or ATHB-2. In my thesis, I investigated transcriptional responses mediated by the SAS in whole Arabidopsis seedlings. Using microarray and chromatin immunoprecipitation data, we identified genome-wide PIF4 and PIF5 dependent shade regulated gene as well as putative direct target genes of PIF5. This revealed evidence for a direct regulatory link between phytochrome signaling and the growth promoting phytohormone auxin (IAA) at the level of biosynthesis, transport and signaling. Subsequently, it was shown, that free-IAA levels are upregulated in response to shade. It is assumed that shade-induced auxin production takes predominantly place in cotyledons of seedlings. This implies, that IAA is subsequently transported basipetally to the hypocotyl and enhances elongation growth. The importance of auxin transport for growth responses has been established by chemical and genetic approaches. To gain a better understanding of spatio-temporal transcriptional regulation of shade-induce auxin, I generated in a second project, an organ specific high throughput data focusing on cotyle- iii Abstract don and hypocotyl of young Arabidopsis seedlings. Interestingly, both organs show an opposite growth regulation by shade. I first investigated the spatio-transcriptional regulation of auxin re- sponsive gene, in order to determine how broad gene expression pattern can be explained by the hypothesized movement of auxin from cotyledons to hypocotyls in shade. The analysis suggests, that several genes are indeed regulated according to our prediction and others are regulated in a more complex manner. In addition, analysis of gene families of auxin biosynthetic and transport components, lead to the identification of essential family members for shade-induced growth re- sponses, which were subsequently experimentally confirmed. Finally, the analysis of expression pattern identified several candidate genes, which possibly explain aspects of the opposite growth response of the different organs. iv Résumé Les plantes ont la capacité dutiliser la composition de la lumière incidente comme signal en vue d’adapter leur développement et leur croissance à leur environnement. Arabidopsis thaliana, tout comme beaucoup d’autres espèces cultivées, est mieux adaptée à des habitats ensoleillés. Lorsque soumises à l’ombre, ces plantes montrent une variété de réponses physiologiques appelées collectivement ’syndrome dévitement de l’ombre’. Ces réponses incluent une augmentation de la croissance de l’hypocotyle et des pétioles, une diminution de la croissance des cotylédons ainsi qu’une réduction de la ramification et du rendement agricole. Ces réponses sont principalement régulées par les photorécepteurs phytochromes, lesquels exis- tent soit dans leur isoforme active, absorbant dans le rouge lointain (FR), soit dans leur isoforme inactive, absorbant dans le rouge (R). Dans la lumière directe du soleil, le rapport du rouge sur rouge lointain (R/FR) est haut, ce qui convertit les phytochromes à leur état physiologiquement actif. Les phytochromes interagissent avec des facteurs de transcriptions situés en aval de la réponse, tels que les PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR (PIF), qui sont ensuite dé- gradés. Lorsque filtrée à travers une canopée, la lumière du soleil s’appauvrit fortement en rouge et ceci résulte en un faible rapport rouge sur rouge lointain, lequel rend les phytochromes inactifs. Les quantités protéiques des facteurs de transcriptions en aval de la réponse sont stabilisées, ce qui déclenche l’expression de gènes induits par l’ombre, comme HFR1, PIL1 ou ATHB-2. Durant ma thèse, j’ai examiné les réponses transcriptionnelles régulées par le syndrome d’évi- tement de l’ombre dans les plantules entières d’Arabidopsis. Par le biais de données provenant de microarrays et d’immunoprécipitation de chromatine, nous avons identifié, sur l’intégrité du génome, des gènes régulés par la réponse à l’ombre et dépendants de PIF4 et PIF5. Nous avons également identifié certains gènes comme cibles supposées de PIF5. Ces données ont révélé des preuves d’un lien de régulation directe entre la signalisation des phytochromes et la phytohormone auxine (IAA), qui promeut la croissance, au niveau de la biosynthèse, du transport et de la signalisation. Par la suite, il a été montré que les niveaux de IAA libre augmentent en réponse à l’ombre.