Charakterisierung von MICRORNA-Genen, die den Blütenübergang von Arabidopsis fördern

5. Februar 2021

MicroRNAs sind kurze RNA-Moleküle, die eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Expression von Genen in Tieren und Pflanzen spielen, indem sie entweder Gentranskripte abbauen oder deren Translation blockieren. Pflanzengenome kodieren viele verschiedene microRNAs, welche jeweils von mehreren MICRORNA Genen exprimiert werden. Diese Gene werden in diversen Geweben und Entwicklungsstadien unterschiedlich exprimiert. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln haben mit Hilfe von Gene-Editing Ansätzen in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gezeigt, wie einzelne Mitglieder der MIR172 Genfamilie die Blütezeit fördern. Dies erfolgt über die Reduktion der Expression eines Proteins, welches in der Sprosspitze exprimiert wird und dort die Blütezeit verzögert.

Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana enthält fünf MIR172 Gene, MIR172A bis MIR172E. Diese Genfamilie fördert den Blütenübergang, indem sie die Expression von APETALA 2 (AP2) und AP2-LIKE Proteinen reduziert. Diese Proteine sind DNA-bindende Transkriptionsfaktoren, die den Blütenübergang unterdrücken. Bisher war das Wissen über die individuellen Beiträge der fünf verschiedenen MIRNA172-Gene zum Blütenübergang begrenzt, weil Funktionverlust-Mutationen nicht in jedem Gen verfügbar waren und sie ähnliche Funktionen haben, was bedeutet, dass sie sich gegenseitig funktionell ersetzen können, wenn sie in denselben Zellen exprimiert werden.

Diarmuid Ó'Maoiléidigh und Mitarbeiter aus dem Labor von George Coupland visualisierten die Expression von fluoreszenzmarkierten, vollständigen Versionen aller MIR172-Gene mit konfokaler Mikroskopie und zeigten, dass MIR172A, MIR172B und MIR172D in der Sprossspitze zum Zeitpunkt des Blütenübergangs exprimiert werden. Anschließend schalteten die Forscher die Funktion aller fünf MIRNA172-Gene einzeln aus, indem sie Mutationen mit Hilfe von CRISPR/Cas9-vermitteltem Gene Editing induzierten. Die detaillierte Analyse des Blühzeitpunkts der einzelnen und übergeordneten Mutanten, zusammen mit ihren Expressionsmustern, zeigte, dass die Rolle von miR172 entscheidend für die Förderung des Blütenübergangs ist, insbesondere unter Kurztagbedingungen. Zusätzliche konfokale Aufnahmen der AP2-Expression im Wildtyp und in der mir172abd-Dreifachmutante zeigten, dass diese MIR172-Gene den Blütenübergang fördern, indem sie den Spiegel des AP2-Proteins in der Sprossspitze reduzieren.

Konfokale Bilder von Arabidopsis-Apizes zeigen APETALA2-Protein (grün) im Wildtyp (oben) und in einer mir172abd-Mutante (unten), die in langen Tagen wachsen. MIR172-Gene sind erforderlich, um den AP2-Spiegel zu reduzieren.

Viele andere Proteine sind dafür bekannt, den Blütenübergang in Arabidopsis zu fördern. Dazu gehören zwei weitere DNA-bindende Transkriptionsfaktoren namens FUL und SPL15. FUL fördert auch den Blütenübergang, indem es die Menge des AP2-Proteins direkt unterdrückt. Die Forscher zeigten genetisch, dass dies unter Kurztagbedingungen parallel, aber additiv zur Reduktion der AP2-Expression durch die MIR172-Gene geschieht. Sie zeigten auch, dass das FUL-Gen und die MIR172-Gene durch SPL15 aktiviert werden. Daher fördert SPL15 den Blütenübergang von Arabidopsis durch die Aktivierung von FUL und MIR172, die wiederum AP2 und AP2-LIKE Gene unterdrücken. Die Studie trägt zum Verständnis der komplexen regulatorischen Logik bei, die für einen schnellen und robusten Übergang von der vegetativen Entwicklung zur Blüte unter verschiedenen Umweltbedingungen notwendig ist. Darüber hinaus beschrieb ein zweiter Artikel aus der Coupland-Gruppe kürzlich, wie hochentwickelte 2,5D-Bildgebungsverfahren auf der Basis von konfokalen Mikroskopiebildern verwendet wurden, um zu entschlüsseln, wie die Zunahme der Zellgröße und der Teilungsrate zu morphologischen Formveränderungen der Sprossspitze, dem sogenannten Meristem-Doming, während des Blütenübergangs beitragen (Kinoshita, Vayssières et al. 2020 eLife). Daher werden sich zukünftige Experimente darauf konzentrieren diese beiden Fortschritte zusammenzuführen, um zu verstehen, wie das miR172/AP2-Modul zu den Veränderungen des Zellverhaltens und der Meristemform während des floralen Übergangs beiträgt.

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