Competition versus redundancy in the regulation of ERFIb transcription factors in Arabidopsis thaliana

Abstract

Transcription factors belonging to the AP2/ERF gene family are of great importance to control stress related processes in plants and were already successfully used to improve stress robustness in important crop plants like tobacco or rice. The ERFIb group is part of the AP2/ERF family in Arabidopsis thaliana and consists of the transcription factors Rap2.4a-Rap2.4h. This work investigates the role of these genes in terms of regulatory similarities and differences upon abiotic stress as well as the interplay between the transcription factors. Bioinformatical resources were used to analyse the ERFIb expression in different tissues of A. thaliana. Low expression abundances were present for most of the ERFIb genes in callus cells, seedling, shoot and roots, whereas Rap2.4b was highly expressed in callus cells, shoots and roots. Moreover, Rap2.4b was mostly co-expressed with Rap2.4d. The analysis of development related ERFIb expression, demonstrated Rap2.4b and Rap2.4d as highly expressed TFs during nearly all stages. Co-response analysis between all ERFIb genes displayed for Rap2.4b and Rap2.4d the highest co- expression upon abiotic stress in roots. To investigate transcriptional stress responses in planta, the expression of all ERFIb genes was analysed after different cold and heat stress treatments. There, similarities and differences in induction kinetics between ERFIb genes could be demonstrated. The possibility of compensation or competition within the ERFIb transcription factors was analyzed. Expressional profiles of ERFIb genes were analyzed by qPCR after the individual knock-down and transient overexpression. The combination of both datasets allowed establishing regulatory patterns within the ERFIb family. The relationship between Rap2.4a and Rap2.4h was demonstrated by means of competitive regulation of 2-Cys Peroxiredoxin (2CPA) promoter. Upon mild stress both transcription factors antagonistically regulate the 2CPA promoter activity. Accordingly, 2CPA activity could be fine- tuned by Rap2.4a and Rap2.4h upon mild-stress. Upon tough conditions this regulation is replaced through chloroplast singlet oxygen mediated retrograde signaling pathways. In summary the ERFIb genes are highlighted for further specific investigations regarding improvement of stress tolerances in A. thaliana.

Transkriptionsfaktoren der AP2/ERF-Genfamilie sind von großer Bedeutung für die Kontrolle stress-relevanter Prozesse in Pflanzen und wurden bereits erfolgreich zur Optimierung von Stresstoleranzen bei bedeutenden Nutzpflanzen wie z.B. Tabak oder Reis eingesetzt. In Arabidopsis thaliana besteht die zur der AP2/ERF-Familie gehörende ERFIb-Gruppe aus den Transkriptionsfaktoren Rap2.4a bis Rap2.4h. Die vorliegende Arbeit untersucht die Rolle dieser Gene im Hinblick auf regulatorische Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei abiotischem Stress sowie die Wechselwirkungen zwischen den Transkriptionsfaktoren. Die Expression der ERFIb-Gene wurde mithilfe bioinformatischer Ressourcen in verschiedenen Gewebetypen von A. thaliana überprüft. Für die meisten dieser Gene, konnte ein niedriges Expressionsniveau in den meisten Gewebetypen festgestellt werden. Rap2.4b wurde in den Calli von Zellkulturen, in den Blättern wie auch in den Wurzeln hoch exprimiert. Zudem co-exprimierte Rap2.4b fast ausschließlich mit Rap2.4d. Die Analyse der Genexpression in verschiedenen Entwicklungsstufen zeigt, dass Rap2.4b und Rap2.4d in nahezu jeder dieser Stufen hochreguliert werden. Weitergehende Analysen der Co-Regulation zwischen den ERFIb-Genen, zeigten für Rap2.4b und Rap2.4d sehr hohe Werte bei abiotischem Stress in den Wurzeln. Um Stressantworten auf Transkriptebene in planta zu untersuchen, wurde die Expression aller ERFIb-Gene nach dem Einsatz verschiedener Arten von Kälte- und Hitzestress analysiert. Hierbei konnten Gemeinsamkeiten wie auch Unterschiede bezüglich der Induktionskinetik zwischen den ERFIb Genen nachgewiesen werden. Die Möglichkeit von Kompensation oder Kompetition innerhalb der ERFIb-Gruppe wurde ebenfalls untersucht. Mittels qPCR wurden Expressionsprofile der Transkriptionsfaktoren nach dem Knock-down sowie der Überexpression einzelner Rap2.4 Gene ermittelt. Die Kombination beider Datensätze ermöglichte die Etablierung von regulatorischen Mustern. Die kompetitive Beziehung zwischen Rap2.4a und Rap2.4h wurde anhand der Regulation des Promotors von 2-Cys Peroxiredoxin A (2CPA) demonstriert. Beide Transkriptionsfaktoren regulieren die 2CPA-Aktivität bei milden Stresskonditionen antagonistisch. Bei ansteigendem Stresslevel wird diese Regulation durch chloroplastidäre, retrograde Signalwege ersetzt.