Estudio del rol del tráfico endocítico en la diferenciación de las células del periciclo a células fundadoras de raíces laterales en Arabidopsis thaliana

Abstract

Las raíces laterales (LR) se desarrollan post-embrionariamente a partir de células del periciclo que adquieren el destino de células fundadoras de raíces laterales (LRFCs) en un proceso denominado priming. Este proceso involucra al menos dos etapas: la especificación de las LRFCs y su posterior activación. La activación de las LRFCs incluye diferentes eventos: la activación del factor de transcripción GATA23, la acumulación del regulador de quinasa asociado a membrana MAKR4 y la disminución del volumen de las células de la endodermis contiguas a las LRFCs. En contraparte, el evento que define la especificación de las LRFCs todavía se desconoce. En nuestro laboratorio hemos evidenciado que la inducción del tráfico endocítico hacia la vacuola promueve la formación de LR independiente del complejo receptor de auxina SCFTIR1/AFB1,2,3 utilizando el compuesto sintético Sortin2. Este biomodulador induce de novo la formación de LR sugiriendo que promueve la diferenciación de células del periciclo a LRFCs. El objetivo de este trabajo fue establecer la relación entre la inducción de la aceleración del tráfico endocítico hacia la vacuola por Sortin2 y la diferenciación de LRFCs promovida por este compuesto. Encontramos que Sortin2 efectivamente promueve la diferenciación de las LRFCs (inducción de la activación transcripcional de GATA23 y la acumulación de MAKR4 en las LRFCs) en un proceso temporalmente posterior a la inducción del tráfico hacia la vacuola. Además, se utilizó la herramienta genética para estudiar la relación funcional entre el tráfico endocítico hacia la vacuola y la formación de raíces laterales. Se utilizaron mutantes, en el tráfico de proteínas o en la formación de LR, caracterizadas en nuestro laboratorio por poseer distinta sensibilidad a la inducción de la formación de raíces laterales con Sortin2. Se encontró que existía un 75% de correlación entre ambos efectos del compuesto, sugiriendo fuertemente de que se encuentran ligados y que la inducción del tráfico hacia la vacuola sería la causa de la promoción de la formación de raíces laterales gatillada por Sortin2. También se evidenció, que no tan sólo el tráfico endocítico desde la membrana plasmática (PM) hacia la vacuola es importante para la acción de este biomodulador sino que también es vital la relocalización de algún/os componente/s macromolecular/es a la PM o al espacio apoplástico, ya que para ejercer su efecto en la formación de raíces laterales es necesario el correcto funcionamiento del tráfico endocítico retrógrado en donde participa VPS53 y la exocitosis hasta la PM en la que juega un rol SEC15. Por otra parte, también encontramos que existen eventos celulares y moleculares necesarios para la relocalización de componentes macromoleculares inducidos por Sortin2, que nos permiten posicionar el efecto celular que tiene Sortin2 río arriba de la activación de las LRFCs. En conjunto estos resultados nos indican que existe un proceso celular que impacta en el patrón de formación de las LR, en donde la inducción de la endocitosis hacia la vacuola y la relocalización de algún componente macromolecular promueven la especificación de las LRFCs, remodelando la arquitectura del sistema radicular.

Lateral roots (LR) are developed postembryonically from the xylem pole pericycle cells. These pericycle cells acquire the fate to be LR founder cells (LRFCs) in a process called priming that involves specification and activation of LRFCs. LRFC activation includes different events, such as activation of the transcription factor GATA23, accumulation of the membrane associated-kinase regulator MAKR4 in LRFCs anddecreased volume of endoderm cells next to LRFCs. However, the nature of the event that defines LRFC specification is still unclear. We have shown that the induction of endocytic trafficking towards the vacuole promotes LR formation independently of the auxin receptor SCFTIR1/AFB1,2,3 by means of the synthetic compound Sortin2 which induces de novo LR formation, suggesting that the effect of Sortin2 is todifferentiate pericycle cells to become LRFCs. The goal of this work is to unravel the relationship between the endocytic trafficking towards the vacuole and the fate acquisition of the LRFCs induced by Sortin2. We found that Sortin2 promotes LRFC differentiation (induction of transcriptional activity of GATA23 and MAKR4 accumulation in LRFCs) in a process temporally after the induction of endocytic trafficking toward the vacuole. Furthermore, a genetic approach was used to study the functional relationship between protein trafficking and LR formation, by analyzing know protein trafficking or know LR formation defective mutants, previously identified in our laboratory, that display different sensitivity to LR formation with Sortin2. We have found a 75% correlation between both effects of this biomodulator. These results strongly suggest that both effects are linked and establish that the induction of endocytic trafficking towards the vacuole causes lateral root formation induced by Sortin2. We observed that not only endocytic trafficking towards the vacuole is important for Sortin2 action, but also the relocation of some macromolecular component/s to the PM or apoplastic space is essential, since the retrograde endocytic trafficking depending on VPS53 and the SEC15-dependent-exocytosis to the PM are both required for the effect of Sortin2 on LR formation. We have also found that cellular and molecular events are necessary for the relocation of macromolecular components induced by Sortin2, which also allows us to position the cellular effect of Sortin2 upstream of LRFC activation. Overall, these results suggest a cellular process that impacts the LR-program where the induction of endocytosis towards the vacuole as well relocation between compartments promote the specification of LRFCs, allowing root architecture remodeling in Arabidopsis thaliana.