Sumanth Kumar Mutte

Auxine is een belangrijk fytohormoon voor groei en ontwikkeling bij veel plantensoorten. Met de vooruitgang in next-generation sequencing en de steeds groeiende hoeveelheid gegevens van genomen en transcriptomen in het afgelopen decennium in alle plantenlijnen, heeft dit proefschrift geholpen om de gedetailleerde oorsprong en evolutie van de biologie van plantenauxine af te leiden. Hoofdstuk 1 geeft een overzicht van de belangrijkste levensvormen op aarde vanuit een evolutionair perspectief. We boden ook gedetailleerd inzicht in meerdere phyla in de plantenevolutie en de bijbehorende morfofysiologische innovaties. Vervolgens introduceerden we verschillende eiwitten en routes die betrokken zijn bij de synthese, het transport, de homeostase en de signaaltransductie van auxine, gevolgd door de reikwijdte van dit proefschrift.

Grote 'omics' databronnen, met name transcriptomics als resultaat van de vooruitgang in RNA-Seq-technologieën, genereerden meer dan 1300 transcriptomen van meer dan duizend soorten over een miljard jaar plantenevolutie. Hoewel de transcriptoomgegevens inherent beperkter zijn dan de genoomgegevens, is het mogelijk om voorouderlijke kopieën te schatten, d.w.z. het minimale gencomplement in de voorouder van de betreffende lijn die wordt onderzocht. Hoewel er veel methoden zijn ontwikkeld die zich richten op het combineren van genen met één kopie om de relaties tussen soorten te schatten, of die zich richten op een specifieke genfamilie, is er aanzienlijke aanpassing nodig om ze als algemene methode op andere genfamilies toe te passen. Daarom hebben we in Hoofdstuk 2 een eenvoudige maar effectieve methodologie ontwikkeld om de oorsprong en evolutie van verschillende genfamilies in alle plantenlijnen, inclusief de algenvoorouders, te reconstrueren.

We hebben dit protocol voor het eerst getest in Hoofdstuk 3 om de evolutie te bestuderen van de auxine-biosynthesegenfamilies Tryptophan aminotransferase van Arabidopsis (TAA) en YUCCA (YUC). Dit heeft niet alleen de eerdere bevindingen bevestigd dat TAA en de bijbehorende Alliinase-eiwitten een gemeenschappelijke voorouder hadden in charofytalgen, maar onthulde ook dat de kern-TAA-clade nooit is gedupliceerd in hun voorouderlijke staten tijdens de plantenevolutie. De YUC-familie in vroeg gedivergeerde soorten bevat een zusterclade die verloren is gegaan in de recent gedivergeerde soort, de angiospermen. Verder hebben we de evolutie van de Gretchen Hagen 3 (GH3)-eiwitfamilie onderzocht, die betrokken is bij de auxine-homeostase door aminozuren aan hormonen te koppelen. Deze analyse onthulde een opvallende correlatie tussen de opkomst van auxine- of jasmonaat-specifieke GH3-familieleden en de evolutie van gespecialiseerde hormoonreceptoren aan het begin van de evolutie van landplanten. Bovendien toonden we aan dat deze methode kon worden toegepast op eiwitten met onbekende of nieuwe domeinen, door de evolutie en annotatie van SOSEKI-eiwitten te bestuderen. Auxine lokt zowel genomische als niet-genomische reacties uit, respectievelijk via de nucleaire auxineroute en het Auxine-bindend eiwit 1 (ABP1). Daarom hebben we ook de oorsprong en evolutie van ABP1 bestudeerd, dat lijkt te zijn geëvolueerd in roodalgen, met een auxine-bindend vermogen dat naar voorspelling al in chlorofyten verscheen.

In Hoofdstuk 4 richtten we ons op de nucleaire auxineroute, de belangrijkste signaaltransductieroute voor auxine in planten. We bestudeerden zowel de oorsprong als de diepe evolutie van de genfamilies Auxin Response Factor (ARF), Auxin/Indole-3-acetic acid (Aux/IAA) en Transport inhibitor response 1/Auxin-signaling F-box (TIR1/AFB). Op basis van de evolutionaire patronen veronderstelden we dat componenten van de genomische responsweg in charofyten waren geëvolueerd, maar alleen functioneel waren in landplanten. We hebben deze hypothese getest door het auxine-responsvermogen van groenalgen, hauwmossen, levermossen, mossen en varens te bestuderen, waarbij we het met auxine behandelde transcriptoom vergeleken met de onbehandelde planten met behulp van RNA-Seq. Inderdaad ontdekten we dat de auxine-responsgenen geconserveerd waren in landplanten, maar niet in groenalgen, wat de voorspellingen uit evolutionaire analyse bevestigde. Tot onze verrassing vonden we ook diep geconserveerde niet-canonieke componenten (ncARF en ncIAA), die we testten op hun rol in auxine-afhankelijke reacties door de mutanten in het vroeg gedivergeerde levermos, Marchantia, te bestuderen. Interessant is dat ncARF een positieve bijdrage leek te leveren aan de auxine-afhankelijke groei en ontwikkeling.

Een cruciale stap in de nucleaire auxineroute is de interactie tussen ARF- en Aux/IAA-eiwitten via het C-terminale Phox- en Bem1 (PB1)-domein. Tijdens onze zoektocht naar homologen van deze twee genfamilies vonden we veel andere eiwitten in planten die noch ARF's noch Aux/IAA's zijn en een PB1-domein bevatten. Omdat het PB1-domein ook is geïdentificeerd in protozoa en schimmels, evenals in dieren, hebben we in Hoofdstuk 5 onderzocht of het PB1-domein is ontstaan in de Last Eukaryote Common Ancestor (LECA). Inderdaad ontdekten we dat LECA bij voorkeur bestond uit drie PB1-kopieën die verder divergeerden en aanleiding gaven tot meerdere kopieën in verschillende koninkrijken. We vonden co-geëvolueerde PB1-paren die mogelijk op elkaar inwerken, waarbij we ook gemeenschappelijke geconserveerde aminozuren vonden tussen deze voorspelde interactieparen, bijvoorbeeld Kinase en Kinase-afgeleide PB1-domeinen. We hebben ook met succes een op aminozuurbeschrijvingen gebaseerde Random Forest-classificatie toegepast om verschillende PB1-domeinen in landplanten te onderscheiden. Samenvattend onthulden deze resultaten de bredere aanwezigheid van PB1-domein bevattende eiwitten in planten, met inzichten in hun diepe evolutie.

Ten slotte hebben we in Hoofdstuk 6 besproken hoe dit onderzoek bijdraagt aan wat bekend is over de evolutie van verschillende componenten van de auxineroute en hun functies. De resultaten in dit proefschrift tonen gezamenlijk de stapsgewijze oorsprong van auxinebiologie in groenalgen en de daaropvolgende functionaliteit in landplanten aan. We hebben ook vragen belicht die nog onbeantwoord blijven en deze bevindingen gesynchroniseerd met de lopende inspanningen om 'niet-canonieke' routes van auxine-actie in planten te begrijpen.