Поиск участников сигнального пути ауксина к его транспортерам PIN на основе метаанализа транскриптомов, индуцированных ауксином

Активный полярный транспорт гормона растений ауксина, осуществляемый его транспортерами, – ключевое звено в формировании и поддержании распределения ауксина, которое, в свою очередь, определяет морфогенез растения. Пластичность распределения ауксина в большой степени реализуется через молекулярно-генетическую регуляцию им экспрессии транспортеров семейства PIN-FORMED (PIN) белков. Регуляция ауксином экспрессии чувствительных к нему генов происходит через ARF-Aux/IAA-зависимый сигнальный путь. Однако неизвестно, какие ARF-Aux/IAA белки участвуют в регуляции ауксином экспрессии генов PIN. У Arabidopsis thaliana семейства белков PIN, ARF и Aux/IAA многочисленны, возможны различные комбинации представителей этих семейств в реализации сигнального пути, что создает сложность для понимания механизмов этого процесса. Использование данных высокопроизводительного секвенирования транскриптомов, индуцированных ауксином (RNA-Seq), делает возможным обнаружение генов-кандидатов, участвующих в регуляции экспрессии белков PIN. Мы разработали алгоритм метаанализа ауксин-индуцированных транскриптомов, с помощью которого отобрали гены, изменяющие свою экспрессию в ответе на ауксин вместе с PIN1, PIN3, PIN4, PIN7, и предсказали возможные регуляторы ARF-Aux/IAA сигнального пути для каждого из дифференциально экспрессирующихся PIN. Применяя сравнительный анализ, мы определили общие и специфичные аспекты в регуляторных контурах, исследуемых PIN. Реконструкция генных сетей и их оценка показали возможные взаимодействия между генами и послужили дополнительным подтверждением большинства сигнальных путей, полученных в метаанализе. С помощью комплексного подхода мы предсказали, что регуляция ауксином экспрессии PIN происходит через несколько ARF-Aux/IAA регуляторных контуров, опосредованных комбинацией ARF4, ARF10 и IAA4, IAA12, IAA17, IAA18 и IAA32. Часть из них являются специфичными при формировании ауксинового ответа с участием отдельных белков PIN, тогда как другие – общими для нескольких белков PIN. Разработанный алгоритм метаанализа можно применять для решения других задач поиска регуляторов экспрессии генов с привлечением полногеномных данных.

Arabidopsis thaliana, ауксин, PIN-FORMED, ауксин-регулируемые гены, метаанализ полногеномных данных, генные сети

1. Calderon-Villalobos L.I., Tan X., Zheng N., Estelle M. Auxin perception – structural insights. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2010;2: a005546-a005546. DOI 10.1101/cshperspect.a005546.

2. Campanoni P., Nick P. Auxin-dependent cell division and cell elongation. 1-Naphthaleneacetic acid and 2,4-dichlorophenoxyacetic acid activate different pathways. Plant Physiol. 2005;137:939-948. DOI 10.1104/pp.104.053843.

3. Cherenkov P., Novikova D., Omelyanchuk N., Levitsky V., Grosse I., Weijers D., Mironova V. Diversity of cis-regulatory elements associated with auxin response in Arabidopsis thaliana. J. Exp. Bot. 2018; 69:329-339. DOI 10.1093/jxb/erx254.

4. Dharmasiri N., Dharmasiri S., Estelle M. The F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Nature. 2005;435:441-445. DOI 10.1038/nature03543.

5. Dhonukshe P. PIN polarity regulation by AGC-3 kinases and ARFGEF. Plant Signal. Behav. 2011;6:1333-1337. DOI 10.4161/psb.6.9.16611.

6. Feraru E., Friml J. PIN polar targeting. Plant Physiol. 2008;147:15531559. DOI 10.1104/pp.108.121756.

7. Fernandez A., Hilson P., Beeckman T. GOLVEN peptides as important regulatory signalling molecules of plant development. J. Exp. Bot. 2013;64:5263-5268. DOI 10.1093/jxb/ert248.

8. Friml J. A PINOID-dependent binary switch in apical-basal PIN polar targeting directs auxin efflux. Science. 2004;306:862-865. DOI 10.1126/science.1100618.

9. Geldner N., Friml J., Stierhof Y.-D., Jürgens G., Palme K. Auxin transport inhibitors block PIN1 cycling and vesicle trafficking. Nature. 2001;413:425-428. DOI 10.1038/35096571.

10. Grieneisen V.A., Xu J., Marée A.F.M., Hogeweg P., Scheres B. Auxin transport is sufficient to generate a maximum and gradient guiding root growth. Nature. 2007;449:1008-1013. DOI 10.1038/nature06215.

11. Guilfoyle T.J., Hagen G. Auxin response factors. Curr. Opin. Plant Biol. 2007;10:453-460. DOI 10.1016/j.pbi.2007.08.014.

12. Habets M.E.J., Offringa R. PIN-driven polar auxin transport in plant developmental plasticity: a key target for environmental and endogenous signals. New Phytol. 2014;203:362-377. DOI 10.1111/nph.12831.

13. Hamann T. The Arabidopsis BODENLOS gene encodes an auxin response protein inhibiting MONOPTEROS-mediated embryo patterning. Genes Dev. 2002;16:1610-1615. DOI 10.1101/gad.229402.

14. Hayashi K. The interaction and integration of auxin signaling components. Plant Cell Physiol. 2012;53:965-975. DOI 10.1093/pcp/pcs035.

15. Kepinski S., Leyser O. The Arabidopsis F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Nature. 2005;435:446-451. DOI 10.1038/nature03542.

16. Krizek B.A. Auxin regulation of Arabidopsis flower development involves members of the AINTEGUMENTA-LIKE/PLETHORA (AIL/PLT) family. J. Exp. Bot. 2011;62:3311-3319. DOI 10.1093/jxb/err127.

17. Liu W., Li R.-J., Han T.-T., Cai W., Fu Z.-W., Lu Y.-T. Salt stress reduces root meristem size by nitric oxide-mediated modulation of auxin accumulation and signaling in Arabidopsis. Plant Physiol. 2015;168:343-356. DOI 10.1104/pp.15.00030.

18. Mironova V.V., Omelyanchuk N.A., Yosiphon G., Fadeev S.I., Kolchanov N.A., Mjolsness E., Likhoshvai V.A. A plausible mechanism for auxin patterning along the developing root. BMC Syst. Biol. 2010; 4:98. DOI 10.1186/1752-0509-4-98.

19. Mroue S., Simeunovic A., Robert H.S. Auxin production as an integrator of environmental cues for developmental growth regulation. J. Exp. Bot. 2018;69:201-212. DOI 10.1093/jxb/erx259.

20. Omelyanchuk N.A., Kovrizhnykh V.V., Oshchepkova E.A., Pasternak T., Palme K., Mironova V.V. A detailed expression map of the PIN1 auxin transporter in Arabidopsis thaliana root. BMC Plant Biol. 2016;16:5. DOI 10.1186/s12870-015-0685-0.

21. Omelyanchuk N.A., Wiebe D.S., Novikova D.D., Levitsky V.G., Klimova N., Gorelova V., Weinholdt C., Vasiliev G.V., Zemlyanskaya E.V., Kolchanov N.A., Kochetov A.V., Grosse I., Mironova V.V. Auxin regulates functional gene groups in a fold-change-specific manner in Arabidopsis thaliana roots. Sci. Rep. 2017;7:2489. DOI 10.1038/s41598-017-02476-8.

22. Pan X., Chen J., Yang Z. Auxin regulation of cell polarity in plants. Curr. Opin. Plant Biol. 2015;28:144-153. DOI 10.1016/j.pbi.2015.10.009.

23. Paponov I.A., Paponov M., Teale W., Menges M., Chakrabortee S., Murray J.A.H., Palme K. Comprehensive transcriptome analysis of auxin responses in Arabidopsis. Mol. Plant. 2008;1:321-337. DOI 10.1093/mp/ssm021.

24. Petrasek J. PIN proteins perform a rate-limiting function in cellular auxin efflux. Science. 2006;312:914-918. DOI 10.1126/science.1123542.

25. Remington D.L., Vision T.J., Guilfoyle T.J., Reed J.W. Contrasting modes of diversification in the Aux/IAA and ARF gene families. Plant Physiol. 2004;135:1738-1752. DOI 10.1104/pp.104.039669.

26. Sauer M., Balla J., Luschnig C., Wisniewska J., Reinohl V., Friml J., Benkova E. Canalization of auxin flow by Aux/IAA-ARF-dependent feedback regulation of PIN polarity. Genes Dev. 2006;20:2902-2911. DOI 10.1101/gad.390806.

27. Szklarczyk D., Gable A.L., Lyon D., Junge A., Wyder S., HuertaCepas J., Simonovic M., Doncheva N.T., Morris J.H., Bork P., Jensen L.J., von Mering C. STRING v11: protein-protein association networks with increased coverage, supporting functional discovery in genome-wide experimental datasets. Nucleic Acids Res. 2019;47: D607-D613. DOI 10.1093/nar/gky1131.

28. Teale W.D., Paponov I.A., Palme K. Auxin in action: signalling, transport and the control of plant growth and development. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2006;7:847-859. DOI 10.1038/nrm2020.

29. Ulmasov T., Murfett J., Hagen G., Guilfoyle T.J. Aux/IAA proteins repress expression of reporter genes containing natural and highly active synthetic auxin response elements. Plant Cell. 1997;9:1963-1971. DOI 10.1105/tpc.9.11.1963.

30. Vanneste S., Friml J. Auxin: a trigger for change in plant development. Cell. 2009;136:1005-1016. DOI 10.1016/j.cell.2009.03.001.

31. Vieten A., Sauer M., Brewer P.B., Friml J. Molecular and cellular aspects of auxin-transport-mediated development. Trends Plant Sci. 2007;12:160-168. DOI 10.1016/j.tplants.2007.03.006.

32. Vieten A., Vanneste S., Wisniewska J., Benkova E., Benjamins R., Beeckman T., Luschnig C., Friml J. Functional redundancy of PIN proteins is accompanied by auxin-dependent cross-regulation of PIN expression. Development. 2005;132:4521-4531. DOI 10.1242/dev.02027.

33. Weijers D., Franke-van Dijk M., Vencken R.J., Quint A., Hooykaas P., Offringa R. An Arabidopsis Minute-like phenotype caused by a semi-dominant mutation in a RIBOSOMAL PROTEIN S5 gene. Development. 2001;128:4289-4299.

34. Wenzel C.L., Schuetz M., Yu Q., Mattsson J. Dynamics of MONOPTEROS and PIN-FORMED1 expression during leaf vein pattern formation in Arabidopsis thaliana. Plant J. 2007;49:387-398. DOI 10.1111/j.1365-313X.2006.02977.x.

35. Whitford R., Fernandez A., Tejos R., Pérez A.C., Kleine-Vehn J., Vanneste S., Drozdzecki A., Leitner J., Abas L., Aerts M., Hoogewijs K., Baster P., De Groodt R., Lin Y.-C., Storme V., Van de Peer Y., Beeckman T., Madder A., Devreese B., Luschnig C., Friml J., Hilson P. GOLVEN secretory peptides regulate auxin carrier turnover during plant gravitropic responses. Dev. Cell. 2012;22:678-685. DOI 10.1016/j.devcel.2012.02.002.

36. Xu J., Hofhuis H., Heidstra R., Sauer M., Friml J., Scheres B. A molecular framework for plant regeneration. Science. 2006;311:385-388. DOI 10.1126/science.1121790.