Regulation of the Cytochrome P450 Gene, CYP81D11, in Arabidopsis thaliana, Subjected to Chemical Stress
Regulation des Cytochrom P450 Gens, CYP81D11, in Arabidopsis thaliana, nach chemischem Stress
by Julia Köster
Date of Examination:2011-01-24
Date of issue:2011-10-17
Advisor:Prof. Dr. Christiane Gatz
Referee:Prof. Dr. Christiane Gatz
Referee:Prof. Dr. Ivo Feussner
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Name:koester.pdf
Size:2.42Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
In higher plants, toxic chemicals induce the expression of a set of detoxification genes. In Arabidopsis thaliana, transcriptional activation of a subset of these depends on Class II TGA transcription factors and the TGA-interacting GRAS protein SARECROW-LIKE 14 (SCL14). The TGA2,5,6/SCL14-activated cytochrome P450 gene CYP81D11 has been detected in a number of microarray analyses as being highly responsive to treatments with different reactive chemicals, like the auxin transport inhibitor 2,3,5-triiodobenzoic acid (TIBA), the allelocemical benzoxazolin-2(3H)-one (BOA), the explosive 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and phytoprostanes (highly reactive compounds generated by non-enzymatic lipid oxidation processes). In contrast to other known TGA2,5,6/SCL14-dependent genes, CYP81D11 is inducible by the plant hormone methyl jasmonate (MeJA), which is a precursor of the active hormone jasonate-isoleucine (JA-Ile) that specifically binds to the receptor/co-activator complex CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1)/JAZ. In this thesis, we demonstrate that three distinct mechanisms of COI1 action merge on the CYP81D11 promoter: (i) the well-established function that leads to the activation of MYC2 upon action of COI1 by elevated JA-Ile levels after MeJA and pathogen treatment; (ii) a novel function that requires basal JA-Ile levels, the transcriptional activator MYC2, a MYC2 binding site in the promoter and functional JAZ repressors; and (iii) as second novel function that is independent from all the known components of COI1-dependent signalling including the ligand JA-Ile. Whole genome microarray analysis of TIBA-treated wild-type and coi1 plants revealed that 73 genes are induced only in the presence of COI1. Real-time RT-PCR and hierarchical cluster analysis indicated that the JA-Ile-independent COI1 function is likely to be unique for the CYP81D11 promoter under these conditions. In contrast, COI1 is important for the expression of a large set of genes even although JA-Ile levels do not increase. While COI1 positively regulates CYP81D11, overexpression of the two NAC transcription factors ATAF1 and ANAC032 negatively effects CYP81D11 expression after TIBA as well as after MeJA treatment.
Keywords: CYP81D11; COI1; jasmonic acid; chemical stress; Arabidopsis thaliana
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In höheren Pflanzen induzieren toxische Chemikalien die Expression eines Sets von Detoxifikationsgenen. In Arabidopsis thaliana ist die transkriptionelle Aktivierung eines Teils der an der Detoxifikation beteiligten Gene abhängig von Klasse II TGA Transkriptionsfaktoren (TGA2, 5 und 6) und dem TGA interagierenden GRAS Protein SCARECROW-LIKE14. Für das TGA2,5,6/SCL14-aktiverte Cytochrom P450 Gen CYP81D11 wurde in zahlreichen Microarray-Analysen gezeigt, dass es stark aktivierbar ist durch verschiedene reaktive Chemikalien, wie dem Auxin Transport Inhibitor 2,3,5-Triiodobenzoesäure (TIBA), der Allelochemikalie Benzoxazolin-2(3H)-eins (BOA), dem Sprengstoff 2,4,6-Trinitrotoluen (TNT) und Phytoprostanen (hoch reaktive Komponenten, die durch nicht enzymatische Lipidoxidation erzeugt werden). Im Gegensatz zu anderen TGA2,5,6/SCL14-abhängigen Genen, ist CYP81D11 auch durch das Pflanzenhormon Jasmonsäure (JA), welches ein Vorgänger des aktiven Hormons Jasmonsäure-Isoleucin (JA-Ile) darstellt und spezifisch an den Rezeptor CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) bindet. In dieser Arbeit konnten wir zeigen dass drei unterschiedliche COI1-Funktionen auf den CYP81D11 Promoter wirken: (i) die wohl bekannte COI1-Funktion die zur Aktivierung des Transkriptionsfaktors MYC2 als Folge von erhöhten JA-Ile Mengen nach MeJA- und Pathogenbehandlung führt; (ii) eine neue COI1-Funktion die basale JA-Ile-Mengen, MYC2 und die MYC2-Bindestelle im Promoter benötigt; und (iii) eine zweite neue COI1-Funktion die unabhängig ist von den bisher bekannten Komponenten der COI1-Signalkaskade, darunter der Ligand JA-Ile. Microarray Analysen von TIBA-behandelten Wildtyp Pflanzen und coi1-Mutanten haben gezeigt, dass 73 Gene nur in Anwesenheit von COI1 induziert werden. Quantitative PCR und Clusteranalysen weisen darauf hin, dass die JA-Ile-unabhängige COI1-Funktion unter diesen Bedingungen auf CYP81D11 beschränkt ist. In Gegensatz dazu ist COI1 bedeutend für die Aktivierung einer großen Zahl von Genen in Gegenwart basaler JA-Ile Mengen. Während COI1 CYP81D11 positiv reguliert, hat die Überexpression der beiden NAC-Transkriptionsfaktoren ATAF1 und ANAC032 einen negativen Effekt auf die Expression von CYP81D11 nach TIBA- und JA-Behandlung.
Schlagwörter: CYP81D11; COI1; Jasmonsäure; chemischer Stress; Arabidopsis thaliana