Brassinosteroid-mediated stem cell divisions in response to DNA damage in Arabidopsis thaliana

Tesis presentada el día 25 de febrero de 2022 para la obtención del título de doctor en Genética por la Universidad Autónoma de Barcelona.

[EN] The present PhD thesis dissertation reports novel mechanisms for stem cell divisions mediated by brassinosteroids (BRs) upon DNA damage conditions in plants. BRs are steroid hormones involved in multiple process of plant growth and development, and the adaptation to the environment. One of the processes that are known to be regulated by BRs is the stem cell divisions. Plants stem cells are in niches, which are mainly found in the root and shoot apexes. At the core of the root stem cell niche it is placed the quiescent center (QC), a group of cells with very low mitotic activity that maintain the undifferentiated status of surrounding stem cells and act as a cell reservoir. QC cells only trigger their divisions when need to replenish the stem cells, for example, after a DNA damage. BR signaling is in charge of triggering these QC divisions, but the exact mechanisms of how this process is regulated is still unknown. Here, we use an interdisciplinary approach, using Arabidopsis thaliana as a model system, including molecular genetics, physiology and bioinformatics to decipher the role of BR receptors upon DNA damage regulating the QC divisions. The results presented in this thesis dissertation uncover novel roles for the BR-receptor kinase BRL3 (BRI1-like 3) protein in DNA damage and DNA repair machinery in plants. This is important in order to control DNA repair mechanisms and cell cycle progression in the root meristem, which requires a balance of these processes to ensure plant adaptation to adverse conditions. We found that, at the root apex, BRL3 downstream signaling events modulate an enzyme that is specifically expressed in the QC cells, the RNR2A (RIBONUCLEOTIDE REDUCTASE 2A), in charge of maintaining dNTPs (deoxynucleotide triphosphates) supply during DNA synthesis. Overall, we found that RNR2A is crucial for a proper QC division in response to DNA damage conditions. Moreover, we also discovered that BRL3 pathway is also involved in the triggering of ROS (reactive oxygen species), probably by using RBOHD (RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG PROTEIN D) machinery, an enzyme in charge of producing ROS. ROS act as signal molecules, involved in myriad of developmental and adaptive responses, also including QC divisions. Overall, our studies untap novel roles for the cell-specific steroid receptor kinase BRL3, that has remained unknown for twenty years since their original discovery, while open new avenues for the study of BRL3 signaling pathway in plants.

[ES] La presente tesis doctoral describe nuevos mecanismos mediados por brasinoesteroides (BRs) para controlar las divisiones de las células madre en condiciones de daño en el ADN en las plantas. Los BRs son hormonas esteroideas involucradas en múltiples procesos de crecimiento y de desarrollo en las plantas, y en la adaptación al medio ambiente. Se sabe que la división de las células madre está regulada por BRs. Las células madre de las plantas se encuentran en nichos, que se localizan principalmente en los ápices de las raíces y de los tallos. En el centro del nicho de células madre de la raíz se encuentra el centro quiescente (QC), un grupo de células con muy baja actividad mitótica, que mantiene el estado indiferenciado de las células madre circundantes y actúa como un reservorio celular. Las células del QC solo se dividen cuando necesitan reponer las células madre, por ejemplo, después de un daño en el ADN. Las señales mediadas por BR son las encargadas de activar estas divisiones del QC pero aún se desconocen los mecanismos exactos de cómo se regula este proceso. En este trabajo, utilizamos un enfoque interdisciplinario, utilizando Arabidopsis thaliana como sistema modelo, que incluye genética molecular, fisiología y bioinformática, para descifrar el papel de los receptores de los BRs en respuesta al daño al ADN y en la regulación de las divisiones del QC. Los resultados presentados en esta tesis descubren nuevos roles para la proteína quinasa BRL3 (BRI1-like 3) en el daño al ADN y la maquinaria de reparación del ADN en las plantas. Esto es importante para controlar los mecanismos de reparación del ADN y la progresión en el ciclo celular del meristemo de la raíz, lo que requiere un equilibrio de estos procesos para asegurar la adaptación de la planta a condiciones adversas. Encontramos que, en el ápice de la raíz, los eventos de señalización aguas abajo de BRL3 modulan una enzima que se expresa específicamente en las células del QC, la RNR2A (RIBONUCLEOTIDE REDUCTASE 2A), encargada de mantener el suministro de dNTPs (desoxinucleótidos trifosfatos) durante la síntesis de ADN. En general, encontramos que la RNR2A es crucial para una división adecuada de las células del QC en respuesta a las condiciones de daño al ADN. Además, también descubrimos que la vía de señalización de BRL3 también está involucrada en la activación de ROS (especies reactivas de oxígeno), probablemente mediante el uso de la maquinaria de RBOHD (RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG PROTEIN D), una enzima encargada de la producción de ROS. Las ROS actúan como moléculas de señal, involucradas en innumerables respuestas adaptativas y de desarrollo, que también incluyen las divisiones del QC. En general, nuestros estudios revelan nuevas funciones para el receptor de esteroides BRL3, que ha permanecido desconocido durante veinte años desde su descubrimiento original, al tiempo que abre nuevas vías para el estudio de la vía de señalización de BRL3 en plantas.

[CA] La present tesi doctoral descriu nous mecanismes regulats per brassinosteroides (BRs) per controlar les divisions de les cèl·lules mare en condicions de dany al DNA a les plantes. Les BRs són hormones esteroides implicades en múltiples processos de creixement i de desenvolupament de les plantes, i en l'adaptació al medi ambient. Se sap que les divisions de les cèl·lules mare estan regulades per BRs. Les cèl·lules mare de les plantes es troben en nínxols, que es troben principalment als àpexs de les arrels i de les tiges. Al centre del nínxol de les cèl·lules mare de l'arrel està el centre quiescent (QC), un grup de cèl·lules amb una activitat mitòtica molt baixa que manté l'estat indiferenciat de les cèl·lules mare circumdants i actua com a reservori cel·lular. Les cèl·lules del QC només activen les seves divisions quan necessiten reemplenar les cèl·lules mare, per exemple, després d'un dany al DNA. La senyalització per BRs s'encarrega d'activar aquestes divisions del QC, però encara es desconeixen els mecanismes exactes de com es regula aquest procés. En aquest treball, utilitzem un enfocament interdisciplinari, utilitzant Arabidopsis thaliana com a sistema model, que inclou genètica molecular, fisiologia i bioinformàtica, per desxifrar el paper dels receptors de BRs en resposta al dany al DNA i en la regulació de les divisions del QC. Els resultats presentats en aquesta tesi descobreixen noves funcions per a la proteïna quinasa BRL3 (BRI1-like 3) en el dany al DNA i en la maquinària de reparació de l'ADN a les plantes. Això és important per controlar els mecanismes de reparació del DNA i la progressió del cicle cel·lular al meristema de l'arrel, que requereix un equilibri d'aquests processos per garantir l'adaptació de la planta a condicions adverses. Vam trobar que, a l'àpex de l'arrel, els esdeveniments de senyalització aigües avall de BRL3 modulen un enzim que s'expressa específicament a les cèl·lules del QC, la RNR2A (RIBONUCLEOTIDE REDUCTASE 2A), encarregada de mantenir el subministrament de dNTPs (desoxinucleòtids trifosfats) durant la síntesi de DNA. En general, vam descobrir que la RNR2A és crucial per a una divisió adequada en resposta a les condicions de dany al DNA. A més, també vam descobrir que la via de senyalització de BRL3 també està implicada en l'activació de les ROS (espècies reactives d'oxigen), probablement mitjançant l'ús de la maquinària de RBOHD (RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG PROTEIN D), un enzim involucrat en la producció de ROS. Les ROS actuen com a molècules senyal, implicades en una infinitat de respostes adaptatives i de desenvolupament, incloses també les divisions del QC. En general, els nostres estudis presenten nous papers per al receptor d'esteroides BRL3, que s'ha mantingut desconegut durant vint anys des del seu descobriment original, mentre obren noves vies per a l'estudi de la via de senyalització de BRL3 a les plantes.

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