Señalización por luz en la muerte celular programada de células del meristemo de la raíz de Arabidopsis

Abstract

Light acts as an environmental cue that stimulates plant organogenesis through photoreceptor activation and intermediary transcription factors. However, it may cause oxidative stress in tissues exposed to high irradiation. DNA damage caused by oxidative stress or genotoxic agents can activate the so-called programmed cell death (PCD). In plants, multiple efforts have been made to elucidate how PCD is regulated. However, the molecular mechanisms underlying this process remain to be explored. Here, we characterized the function of photoreceptors on the damage caused by genotoxic agents in the Arabidopsis root meristem. Comparing root growth and meristem structure of wild-type (WT) Columbia-0 (Col-0), phyA-211, phyB-9, cry1, and the double mutant phyA-211 phyB-9 we unveiled a critical function of PhyA during DNA-damaging stress tolerance. Our results revealed that genotoxic stress, imposed by zeocin and phleomycin, induced DNA fragmentation and PCD of the stem cell niche (SCN) and the subsequent exhaustion of primary and lateral root meristems of phyA-211 and phyA-211 phyB-9, but not in phyB-9 and cry1 mutants. PhyA expression was localized in root tips, where it apparently influences genes related to DNA damage responses (DDRs), including ERF115, PAT1, RAD51, MYB3R3, and CYCB1. Interestingly, the DDRs are canonically influenced by the SOG1 transcription factor since sog1-1 mutants failed to induce the genes mentioned above. We observed that the phyA-211 mutants have a higher sensitivity to genotoxic stress than the sog1-1 mutants. Additionally, zeocin-treated phyA-211 mutants did not affect the repressor of cell cycle progression MYB3R3, suggesting that PhyA and SOG1 are required for safeguarding the DNA integrity through preventing aberrant or mutation segregation to cell progeny.

La luz actúa como una señal ambiental que estimula la organogénesis de las plantas a través de la activación de los fotorreceptores y de factores de transcripción. No obstante, la exposición de los tejidos a ciertas longitudes de onda, puede inducir estrés oxidativo que daña a los lípidos, las proteínas y el ADN, lo cual conlleva a la muerte celular programada o apoptosis, caracterizada por la eliminación selectiva de células a través de una degradación proteolítica. En este proyecto, se estudió la participación de los fotorreceptores en la muerte celular inducida por agentes genotóxicos en el meristemo la raíz de Arabidopsis. La comparación del crecimiento y la estructura del meristemo de las plantas silvestres del ecotipo Columbia-0 (Col-0), así como las mutantes phyA-211, phyB-9, cry1 y la doble mutante phyA-211phyB-9 reveló una función critica del fitocromo PhyA en la tolerancia al estrés impuesto por la zeocina y la fleomicina. La expresión de PhyA se localizó en el ápice de la raíz primaria, en concordancia con la expresión de genes involucrados en las respuestas al daño del ADN, incluyendo ERF115, PAT1, RAD51, MYB3R3 y CYCB1, y su mutación causa hipersensibilidad de la raíz primaria a genotóxicos. También se caracterizó la participación del factor SOG1, en cuyas mutantes no se expresan los genes antes mencionados, y su raíz primaria se diferencia ante el estrés genotóxico causado por la radiación gamma. Observamos que las mutantes phyA-211 presentan una mayor sensibilidad al estrés genotóxico que las mutantes sog1-1. Adicionalmente, las mutantes de phyA-211 tratadas con zeocina no afectaron la expresión del represor del ciclo celular MYB3R3 lo que sugiere que PhyA y SOG1 son requeridos para salvaguardar la integridad del ADN y evitar la segregación de mutaciones a la progenie celular.