Functional analysis of BRL3 receptor signalosome during plant adaptation to environmental stress in Arabidopsis thaliana

Abstract

L’objectiu d’aquesta tesi doctoral és aprofundir en el coneixement del rol dels brassinosteroids en el creixement vegetal i en la resposta a l’estrès. L’estudi s’ha centrat en com els diferents receptors de brassinosteroids regulen aquests processos. La major part d’aquest projecte es centra en la identificació de ERD14 com a nou component del signalosoma del receptor vascular BRL3. La proteïna ERD14 participa en l’adaptació a l’estrès i s’ha demostrat que està involucrada en els mecanismes moleculars que regulen la estabilitat del receptor en la membrana plasmàtica. Els brassinosteroids són una família de fitohormones relacionades amb el creixement, el desenvolupament i l’adaptació a l’estrès en plantes. Aquestes molècules són percebudes a la membrana plasmàtica per la família de receptors de BRI1, composta per BRI1, que s’expressa a tota la planta, i els receptors vasculars BRL1 i BRL3. El receptor BRL3 ha estat identificat a l’adaptació a estrès abiòtic i presenta un interactoma diferent del de BRI1. El Capítol 1 presenta una exposició del rol dels brassinosteroids i la participació de les xaperones en els processos d’adaptació a l’estrès. El Capítol 2 presenta una anàlisi bioquímica de la interacció del complex format per BRL3 i ERD14, mentre que el Capítol 3 introdueix l’estudi fisiològic per tal de determinar-ne la rellevància funcional durant la resposta a l’estrès abiòtic. A més a més, també s’estudia la interacció de BRI1 i ERD14 i la seva contribució als processos que depenen de BRL3. Finalment, el Capítol 4 aprofundeix en la diversificació funcional del receptors de brassinosteroids BRI1 i BRL3 mitjançant l’anàlisi dels seus dominis d’expressió i dels seus interactors específics. En conjunt, aquesta tesi doctoral avança en la comprensió del rol dels diferents receptors de brassinosteroids durant l’adaptació de les plantes a l’estrès abiòtic. A més a més, s’aprofundeix en els mecanismes moleculars mediats per ERD14 que regulen la senyalització dels brassinosteroids des de la membrana plasmàtica. Aquest estudi obre la porta a noves estratègies moleculars basades en la modificació de la ruta de senyalització de BRL3 per l’obtenció de cultius més tolerants a la sequera.

Esta tesis contribuye a la comprensión del rol de los brasinosteroides en el crecimiento vegetal y en la respuesta al estrés. El estudio se ha centrado en cómo estos procesos se regulan por los diferentes receptores de brasinosteroides. La mayoría de este trabajo parte de la identificación de ERD14 como nuevo componente del signalosoma del receptor vascular BRL3. La proteína ERD14 participa en la adaptación a estrés y en los mecanismos moleculares que regulan la estabilidad del receptor en la membrana plasmática. Los brasinosteroides son fitohormonas relacionadas con el crecimiento, el desarrollo y la adaptación a estrés. Estas moléculas se perciben en la membrana plasmática por la familia de receptores de BRI1, compuesta por BRI1, que se expresa por toda la planta, y los receptores vasculares BRL1 y BRL3. BRL3 ha sido identificado en la adaptación a estrés abiótico y presenta un interactoma específico y diferente del de BRI1. En el Capítulo 1 se presenta el rol de los brasinosteroides en el desarrollo vegetal y la adaptación a estrés, junto con la participación de las chaperonas en estos procesos. El Capítulo 2 presenta un análisis bioquímico de la interacción del complejo BRL3-ERD14, mientras que el Capítulo 3 expone el análisis fisiológico realizado para determinar la relevancia funcional del complejo durante la respuesta al estrés abiótico. A lo largo de estos dos capítulos también se estudia la interacción de BRI1 con ERD14 y la contribución de BRI1 en los procesos mediados por BRL3. Por último, el Capítulo 4 profundiza en la diversificación funcional de los receptores de brasinosteroides BRI1 y BRL3 mediante el análisis de sus dominios de expresión y sus interactores específicos. En conjunto, esta tesis doctoral avanza en la comprensión del rol particular de los diferentes receptores de brasinosteroides en la adaptación de las plantas al estrés abiótico. Además, se profundiza en los mecanismos moleculares mediados por ERD14 que regulan la señalización de los brasinosteroides desde la membrana plasmática. El trabajo aquí presentado abre las puertas a nuevas estrategias moleculares basadas en la modificación de la se señalización de BRL3 para la obtención de cultivos más tolerantes a la sequía.

This PhD thesis contributes to the understanding of brassinosteroids role in regulating plant growth and stress responses and how these processes are driven by the different brassinosteroid receptors. Most of the work is based on the identification of ERD14 as a novel component of the vascular BRL3 signalosome. ERD14 protein participates in stress adaptation and the molecular mechanisms involved on receptor stability at the plasma membrane. Brassinosteroids are phytohormones that control plant growth, development and abiotic stress adaptation. These molecules are perceived at the plasma membrane by the BRI1 family of receptors, composed of BRI1, which is widely expressed on the plant, and BRI1-Like receptors (BRL1 and BRL3) that are enriched in vascular tissues of the plant. BRL3 receptor has been identified in abiotic stress adaptation and presents a specific interactome different from BRI1. In Chapter 1, the role of brassinosteroids in plant development and stress adaptation is presented, together with the chaperone involvement in these processes. In Chapter 2, the interaction between BRL3 and ERD14 is analyzed biochemically, while in Chapter 3, a physiological analysis of the interaction is performed to determine the role of the complex in abiotic stress. The contribution of BRI1 to the BRL3-mediated processes is also addressed. Lastly, Chapter 4 aims to study the functional diversification of the brassinosteroid receptors BRI1 and BRL3 by the differential analysis of their expression domains and specific interactors. Overall, this PhD advances in the understanding of brassinosteroid role in plant abiotic adaptation by studying the contribution of each brassinosteroid receptor. Additionally, it addresses the ERD14-dependent molecular mechanisms mediating the brassinosteroid signaling from the plasma membrane. This work paves the way for new molecular strategies based on the modification of BRL3 signaling to obtain better adapted crops.