Characterization of bHLH transcription factors that control tissue differentiation in Physcomitrella patens
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| Data de Publicação: | 2012 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/8305 |
Resumo: | Tese de mestrado. Biologia (Biologia Celular e Biotecnologia). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012 |
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Characterization of bHLH transcription factors that control tissue differentiation in Physcomitrella patensFisiologia vegetalFilogenéticaExpressão génicaAdaptaçãoTeses de mestrado - 2012Tese de mestrado. Biologia (Biologia Celular e Biotecnologia). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012The evolution of developmental and physiological processes in plants made possible the colonization of the terrestrial environment. The development of a rooting system was critical for the spread of plants on land. Rhizoids and caulonema are cells with rooting function that are present in early diverging groups of land plants, such as mosses. In Physcomitrella patens the development of these cells is controlled by auxin, which positively regulates PpRSL (Physcomitrella patens RHD SIX-LIKE) Class I genes. The closest relatives of PpRSLs in higher plants control root hair development. In higher plants LRL (LjRHL-LIKE) genes also control root hair development but their function in P. patens is unknown. I show here that PpLRL genes are present in P. patens and are required for caulonema and rhizoid development. In A. thaliana, RSL Class I genes positively regulate the expression of AtLRL3, and this gene is also positively regulated by auxin. I demonstrate that auxin-induced rhizoid and caulonema cell development in P. patens requires the activity of PpLRL genes, but unlike A. thaliana both PpLRL genes are negatively regulated by auxin. I also found that expression of PpLRL genes is independent of RSL Class I. These findings suggest that there exists a gene network that is conserved between A. thaliana and P. patens, but the interactions between its components are different in the two species. These different topologies observed in the network that controls the development of rooting systems may explain the diversity observed in land plant rooting systems. I also generated a knock-out mutant, Pphol, which will be used to understand the role and evolution of methyl halides production in land plants. Altogether, this work supports the hypothesis that the evolution of novel developmental and physiological processes was partly driven by the reutilization of ancient developmental and physiological mechanisms.A conquista de ambientes terrestres por parte das plantas constituiu um importante marco na História da Terra. Este evento teve impactos dramáticos nos ciclos atmosféricos e geoquímicos até aos dias de hoje. O desenvolvimento e a evolução de sistemas radiculares tornaram possíveis a conquista e adaptação das plantas a um ambiente terrestre. As primeiras plantas terrestres eram bastante semelhantes aos briófitos atuais e o seu sistema radicular era composto essencialmente por filamentos multicelulares chamados rizóides. O sistema radicular nas plantas superiores é constituído por pêlos radiculares, projeções unicelulares tubulares que cobrem a epiderme da raiz. Recentemente descobriu-se que um par de fatores de transcrição beta helix-loop-helix (bHLH), denominados Root Hair Defective Six-Like (RSL) Classe I, controla o desenvolvimento de caulonema (células com funções radiculares) e rizóides no musgo Physcomitrella patens e o desenvolvimento de pêlos radiculares em Arabidopsis thaliana. Este facto demonstra que o mecanismo genético que controla o desenvolvimento de sistemas radiculares está presente nas plantas terrestres desde a existência do ancestral comum entre P. patens e A. thaliana há cerca de 443 milhões de anos. A regulação da rede transcricional que controla o desenvolvimento de pêlos radiculares em angiospérmicas é mais estudada e compreendida do que aquela que controla o desenvolvimento de caulonema e rizóides em briófitos. Para além dos fatores de transcrição RSL Classe I, outros factores de transcrição bHLH como os Lj-Root Hairless Like (LRL) promovem o desenvolvimento de pêlos radiculares em angiospérmicas. A auxina é uma fitohormona que induz o desenvolvimento de pêlos radiculares em angiospérmicas e o desenvolvimento de rizóides em musgo. É sabido que a auxina não controla a expressão dos genes AtRSL Classe I mas controla positivamente a expressão do gene AtLRL3 que por sua vez promove o desenvolvimento de pêlos radiculares em A. thaliana. Em P. patens, ao contrário do que ocorre em A. thaliana, a expressão dos genes RSL Class I, que controlam o desenvolvimento de rizóides, é controlada positivamente pela auxina. O genoma do musgo P. patens contém dois genes LRL, contudo a sua função em P. patens é desconhecida. Uma vez que os genes RSL Classe I funcionam tanto no desenvolvimento de rizoides em P. patens como no desenvolvimento de pêlos radiculares em A. thaliana, é postulado que os genes LRL funcionem também no desenvolvimento de rizóides no musgo P. patens à semelhança do que ocorre em A. thaliana (onde promovem o desenvolvimento de pêlos radiculares). Demonstrando que os genes LRL controlam o desenvolvimento de rizóides em P. patens, é possível inferir que mais do que um conjunto de genes está presente na rede genética regulatória que controlou o desenvolvimento dos sistemas radiculares das primeiras plantas terrestres. De forma a caracterizar a função dos genes LRL em P. patens, foi gerada uma análise filogenética de forma a inferir as relações filogenéticas entre os genes LRL presentes nos genomas de A. thaliana e P. patens. O genoma de A. thaliana contém cinco genes LRL, três dos quais controlam o desenvolvimento de pêlos radiculares (AtLRL1, AtLRL2 e AtLRL3), e o genoma de P. patens contém dois genes LRL (PpLRL1 e PpLRL2). Através da análise filogenética foi possível determinar que os genes LRL presentes em P. patens e os genes AtLRL1, AtLRL2 e AtLRL3 derivam do mesmo ancestral, dando suporte à hipótese de que PpLRL1 e PpLRL2 controlam o desenvolvimento de células com função radicular em P. patens. Para caracterizar a função de ambos os LRL, foi realizada uma análise fenotípica em mutantes que não contêm cada um dos genes: (Pplrl1 e Pplrl2); e que sobre-expressem cada um dos genes: (35S::PpLRL1 e 35S::PpLRL2). Esta análise revelou que tanto PpLRL1 e PpLRL2 são necessários para o desenvolvimento de caulonema e rizóides (os dois tecidos com função radicular em P. patens). Os mutantes que não continham cada um dos genes desenvolvem filamentos de caulonema mais curtos e a coloração dos rizóides é afetada, sendo que em vez de desenvolverem rizóides com uma coloração acastanhada, desenvolvem rizóides mais pálidos comparados com as plantas wild type. Por outro lado, os mutantes 35S::PpLRL1 desenvolvem rizóides mais compridos e com uma coloração acastanhada mais demarcada quando comparados com as plantas wild type. Desta forma é possível afirmar que os componentes que compõem a rede regulatória genética que controla o desenvolvimento de sistemas radiculares nas plantas terrestres estão conservados desde a divergência entre P. patens e A. thaliana. Uma vez que a expressão de AtLRL3 é positivamente regulada pelos genes RSL Classe I em A.thaliana, e tendo em conta que os genes RSL Classe I também controlam o desenvolvimento de rizóides em P. patens, é postulado que a expressão de PpLRL1 e PpLRL2 é regulada pelos genes RSL Classe I em P. patens. De forma a verificar esta hipótese, os níveis de expressão dos genes PpLRL1 e PpLRL2 foram quantificados através de qRT-PCR no duplo mutante Pprsl1 Pprsl2 (mutante sem os genes RSL Classe I). Espantosamente, tanto a expressão do gene PpLRL1 como a do gene PpLRL2 não é afetada no duplo mutante Pprsl1 Pprsl2. Este facto demonstra que, ao contrário do que acontece em A. thaliana, a expressão dos genes LRL é independente dos genes RSL Classe I em P. patens. A auxina desempenha um papel crucial no desenvolvimento de pêlos radiculares em angiospérmicas e no desenvolvimento de células com função radicular no musgo P. patens. É sabido que a expressão do gene AtLRL3 é positivamente controlada pela auxina, regulando assim o desenvolvimento de pêlos radiculares através da sua ação na expressão do gene AtLRL3. De forma a compreender se a ação da auxina no desenvolvimento de rizoides e caulonema requer a ação dos genes PpLRL1 e PpLRL2, os mutantes Pplrl1 e Pplrl2 foram tratados com auxina e comparados com os respectivos controlos (mutantes sem qualquer adição de auxina exógena). O tratamento de auxina em ambos os mutantes não foi capaz de despoletar o desenvolvimento de caulonema e rizóides observado em plantas wild type, revelando que o desenvolvimento mediado pela auxina de células com função radicular em P. patens requer a função dos genes PpLRL1 e PpLRL2. Tendo em conta que a expressão do gene AtLRL3 é positivamente regulada pela auxina, e que o mecanismo de desenvolvimento de caulonema e rizóides induzido pela auxina requer a função de ambos os genes PpLRL1 e PpLRL2, é postulado que a auxina desempenha um papel crucial na regulação da expressão destes genes. Para verificar esta possibilidade, o nível de expressão dos genes PpLRL1 e PpLRL2 foi quantificado através de qRT-PCR em plantas tratadas com auxina exógena e plantas não tratadas. Ao contrário do que seria expectável, tanto a expressão de PpLRL1 como a de PpLRL2 é negativamente regulada pela auxina. Este resultado demonstra que, embora os componentes da rede genética regulatória que controla o desenvolvimento de células com função radicular em plantas terrestres estejam conservados, a topologia dessa mesma rede genética regulatória é diferente entre P. patens e A. thaliana. Estas diferentes interações na mesma rede genética regulatória podem justificar a diversidade morfológica observada nos sistemas radiculares em plantas terrestres. Nesta tese de mestrado é também demonstrada a geração de um mutante através de recombinação homóloga em P. patens. O objectivo é criar um mutante cujo gene Harmless to Ozone Layer (HOL) seja retirado do genoma do musgo P. patens de forma a criar uma planta que não contenha este gene: Pphol. O gene AtHOL é uma metiltransferase responsável pela catálise de haloalcanos em A. thaliana. A função dos haloalcanos não é bem conhecida em A. thaliana, mas é sabido que muitas espécies de plantas são capazes de produzir e emitir haloalcanos. O musgo P. patens é uma das plantas que produz e emite haloalcanos e sabe-se que o seu genoma contém um gene HOL, contudo a sua caracterização nunca foi realizada. De modo a caracterizar a função deste gene em P. patens, a emissão de haloalcanos será analisada no mutante Pphol, cuja geração é descrita nesta tese, e comparada com as plantas wild type. Se se verificar que este gene é necessário para a produção de haloalcanos em P. patens, é possível inferir que o mecanismo de síntese de haloalcanos está conservado nas plantas terrestres desde a divergência de P. patens e A. thaliana. Juntamente com a análise dos fatores de transcrição PpLRL1 e PpLRL2, o uso do mutante Pphol, poderá ser essencial para a compreensão da evolução de mecanismos fisiológicos e de desenvolvimento em plantas terrestres. A evolução destes processos foi crucial para a adaptação e radiação das plantas no ambiente terrestre.Dolam, LiamMalhó, Rui, 1967-Repositório da Universidade de LisboaCatarino, Bruno Miguel Grou, 1988-2013-04-15T17:08:23Z20122012-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/8305enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:52:07Zoai:repositorio.ul.pt:10451/8305Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:32:53.644758Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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