Stroomafwaartse doelwitten van de metabolische stresssensor SnRK1 - Eén kinase om allen te controleren

Het evolutionair geconserveerde SnRK1 (SNF1-related kinase1) proteïne kinase (het ortholoog van SNF1 in gist en AMPK in zoogdieren) is een belangrijke metabole sensor, dat de plant in staat stelt zich aan te passen aan veranderingen in de beschikbare energie, waarbij gestreefd wordt naar energiehomeostase en overleving wordt gewaarborgd. SnRK1 wordt geactiveerd bij lage-energiestress en wordt onderdrukt bij hoge fotoassimilaat (suiker) aanwezigheid, waarbij de allosterische inhibitor trehalose-6-P een gevoelige weerspiegeling is van de sucrosevoorziening. Om energiehomeostase te behouden tijdens energie-uitputtende stresscondities zal SnRK1 niet alleen katabole processen induceren (waarbij C en energie wordt vrijgezet uit alternatieve bronnen), maar ook niet-essentiële energie-verbruikende anabole processen onderdrukken om zo de C- en energiefluxen om te leiden naar processen die essentieel zijn voor overleving. In dit werk onderzochten we plantengroei en anthocyaanbiosynthese in Arabidopsis thalianaals energie-intensieve processen die direct onderdrukt worden door SnRK1-activiteit. Daarnaast voerden we een casestudy uit met betrekking tot de redistributie van grondstoffen ter bevordering van (a)biotische stressresistentie. Hierbij identificeerde we een toegenomen tolerantie voor Plasmodiophora brassicae infectie(knolvoet) in transgene lijnen met verhoogde SnRK1-activiteit en toonden we aan dat geprogrammeerde celdood een positief aangestuurd SnRK1-doelwitproces is in de immuunrespons van de plant.

De fenotypes van transgene Arabidopsislijnen met veranderde SnRK1-activiteit suggereren dat SnRK1 de groeisnelheid controleert via onderdrukking van de celdelingsactiviteit en van turgordruk-gemedieerde celexpansie. Cellulaire assays waarbij de regulerende machinerie van de celcyclus transiënt tot overexpressie werd gebracht in bladmesofiel protoplasten toonde aan dat directe SnRK1-doelwitten actief zijn in de G1/S- en G2/M-fase transities, waarbij, hoewel het misschien contra-intuïtief is, SnRK1 lijkt te functioneren als een positieve regulator van de endocyclus.

Daarnaast toonde een analyse met mutante en transgene Arabidopsislijnen, en bijhorende cellulaire assays met transiënte overexpressie in bladmesofiel protoplasten, aan dat SnRK1 actief is als een negatieve regulator van anthocyaanbiosynthese. Hierbij identificeerden we de expressie van de MYB75 transcriptiefactor en de associatie en stabiliteit van het MYB75/bHLH/TTG1 transcriptiefactorcomplex als directe SnRK1 doelwitten. Zowel tijdens deze transcriptionele als post-translationele regulatie blijken TCP-type transcriptiefactoren op te treden. Samenhangend met deze bevinding werden deze plant-specifieke transcriptiefactoren onafhankelijk geïdentificeerd als deel van de SnRK1-signaalcascade met behulp van een voorwaartse genetische analyse. Hierbij werd een tps1 mutant suppressor-screening gebruikt, die gebaseerd werd op het herstel van anthocyaanbiosynthese en wortelgroei.

Tenslotte onderzochten we of het modificeren van SnRK1-activiteit een valabele strategie is om een duurzame en brede biotische stresstolerantie te verkrijgen. Hierbij maakten we gebruik van een infectieassay met Plasmodiophora brassicae, dat knolvoet induceert bij de kruisbloemigen (Brassicaceae). Een preliminaire kwalitatieve fenotypering toonde aan dat Arabidopsisplanten die de katalytische subeenheid van SnRK1 (SnRK1α1) tot overexpressie brengen een verhoogde tolerantie bezitten voor deze ziekte, zonder dat er significante negatieve effecten zijn op zaadopbrengst en op het totale vetzuurgehalte in zaden. Deze kenmerken zijn belangrijke economische eigenschappen voor de nauw verwante Brassica gewassen zoals koolzaad.

Resistentie tegen knolvoetinfectie gaat soms gepaard met een hypersensitieve respons en verschillende studies tonen aan dat SnRK1 mogelijk een positieve regulatorische functie heeft over de geprogrammeerde celdood die betrokken is bij deze immuunrespons. Met behulp van cellulaire assays toonden we aan dat SnRK1 waarschijnlijk een directe en positieve regulator is van de LSD1/bZIP10 signaaltransductiecascade, waarbij celdood mogelijk gestimuleerd wordt bij herkenning van pathogeeninfectie of bij pathogeen-geïnduceerde energie-uitputting.

Samengevat zullen de resultaten van dit project bijdragen aan het begrijpen en interpreteren van de processen die stroomafwaarts spelen van de metabolische stresssensor SnRK1 bij koolstof en energie-uitputting. Een gedetailleerde opheldering van deze stroomafwaarste signaalcascades draagt bij tot een meer gerichte selectie en slimmere teelt van gewassen met een verhoogde opbrengst en een performante groei in suboptimale en steeds onvoorspelbaardere omgevingen.