Control of phosphate starvation responses in Arabidopsis thaliana: new regulators and regulatory interactions

Abstract

To cope with growth under Pi starvation conditions, plants have evolved a series of morphological and biochemical adaptations aimed to survive at best the stress situation. Pi starvation signaling mechanism in plants has been widely studied in the past two decades. However, there were some gaps in the knowledge of this pathway; for instance, on the mechanism of regulation of PHR1 (master regulator of Pi starvation responses) activity, on the properties of the Pi sensor, the complete TF set controlling the transcriptional networks underlying Pi ion homeostasis etc,. In this study we have contributed to the knowledge of phosphate starvation signaling at 3 different fronts. 1) Identification of candidate TFs controlling PSRs using ionomics -we used a large scale ionomic profiling approach to study the elemental profile of the transgenic lines of TRANSPLANTA collection conditionally overexpressing TFs. In general, we observed that alterations in the ionome involved disturbances in the levels of many elements. Giving emphasis to P nutrient signaling, we selected 5 TF candidates (belonging to families of DREB, bZIP, NAC and KNAT) whose ionomic pattern indicated potential correlations between P and other elements like Zn, Fe and Mn. 2) SPX1 is a Pi dependent inhibitor of PHR1. Following a yeast two hybrid approach, we identified SPX1 as an interactor of PHR1. Subsequent characterization studies included physiological and transcriptomic analysis of spx1spx2 mutants, Coimmunoprecipitation assay in-planta and in-vitro, as well as DNA binding assays. As a result of this characterization, we established that SPX1 is a Pi dependent inhibitor of PHR1, qualifying it as a sensor component. 3) New roles of PHO2 and NLA in Pi starvation signaling. In this study, we found that PHO2 and NLA interact with each other suggesting they act in concert in the ubiquitination pathway. In line with the previous finding that the negative growth regulators bHLH149 is a target of PHO2, bHLH149 is also shown to be regulated by NLA, reinforcing the link between Pi starvation signaling and growth control. In addition, SPX1 is also shown to be a PHO2/NLA target, contributing to form a negative regulatory loop in Pi starvation signaling involving PHR1, NLA, PHO2 and SPX1.

Las plantas han desarrollado una serie de respuestas morfológicas y bioquímicas destinadas a adaptar su crecimiento en condiciones de bajo Pi, en el suelo. El mecanismo de señalización de ayuno de fosfato en plantas ha sido ampliamente estudiado en las últimas dos décadas. Sin embargo, todavía existían importantes lagunas en el conocimiento de esta ruta; por ejemplo, sobre cómo se regula la actividad de PHR1 (regulador maestro de las respuestas al ayuno de Pi) ; sobre la naturaleza y el modo de accion del sensor de Pi y sobre el conjunto de TFs de las redes de transcripción subyacentes a la homeostasis de Pi etc,. En este estudio hemos contribuido en tres aspectos diferentes al conocimiento de la señalización del ayuno de fosfato. 1) Identificación de nuevos TFs candidatos mediante aproximaciones ionómicas. – Se ha realizado un analisis a gran escala del pefil ionómico de lineas TRANSPLANTA que sobreexpresan condicionalmente TFs de Arabidopsis, para detectar TFs cuya sobreexpresión altera el ionoma. En los casos encontrados, en general, se observó que las alteraciones en el ionoma implican alteraciones en los niveles de muchos elementos. Centrándonos en los TFs relacionados con la homeostasis de Pi, se seleccionaron 5 TF candidatos (pertenecientes a familias de DREB, bZIP, NAC y KNAT) cuyo patrón ionómico refleja las posibles correlaciones entre P y otros elementos como Zn, Fe y Mn. 2) SPX1 es un inhibidor de PHR1 dependiente de Pi - Siguiendo una aproximación basada en el método de los dos híbridos de levadura, se identificó SPX1 como un interactor de PHR1. Estudios de caracterización posteriores incluyeron análisis fisiológicos y transcriptómicos de mutantes spx1spx2, ensayos de co-inmunoprecipitación in planta e in vitro, así como ensayos de unión de ADN. Como resultado de esta caracterización, se estableció que SPX1 es un inhibidor PHR1 directamente dependiente de Pi, cualificándolo como un componente del sensor de Pi. 3) Nuevas funciones de PHO2 y NLA en la vía de señalización de ayuno de Pi. En este estudio, se encontró que PHO2 y NLA interaccionan entre sí lo que sugiere que actúan en concierto en la ruta de ubiquitinación implicada en la señalización de Pi. En línea con datos previos que establecieron que el inhibidor de crecimiento bHlH149, está controlado por PH02, se ha comprobado que también está regulado por NLA, reforzando el vínculo entre la señalización del ayuno de Pi y el control del crecimiento. Además, también hemos demostrado que SPX1 es diana de PHO2 y NLA, lo que contribuye a formar un bucle regulador negativo en la señalización del ayuno de Pi que implica a PHR1, NLA, PHO2 y SPX1.