Novel insights into vacuole-mediated control of plant growth and immunity

Växternas vakuoler är en form av organeller med viktiga funktioner rörande tillväxt, utveckling och stress-svar. De bidrar till att bibehålla cellers vätsketryck, till lagring av proteiner och andra substanser, och till utsöndring av kemiska försvarsämnen. Dessutom utgör vakuoler en del av cellens inre membransystem och har en roll i nedbrytningen av främmande ämnen som kommer in i cellen genom vesikulär transport och autofagi. Vakuolära och autofagiska processer antas också ha betydelse för hormonell signalering under tillväxt och immunsvar, liksom i regleringen av programmerad celldöd (PCD). Emellertid är de molekylära processer som ligger bakom en vakuol-medierad kontroll av tillväxt och immunsvar i stort sett okända, och denna avhandling har därför syftat till att öka förståelsen av dessa processer. För detta ändamål karaktäriserades ett antal tidigare identifierade lazarus (laz)-suppressorer av konstitutiv celldöd i Arabidopsis-mutanten accelerated cell death 11 (acd11). LAZ4 kodar för retromer-komponenten VACUOLAR PROTEIN SORTING 35B (VPS35B). VPS35-proteiner visades bidra till vissa former av immunitetsrelaterad celldöd och sjukdomsresistens. En retromer-beroende vakuolär transport och integritet visades dessutom vara nödvändig för autofagi-processer under normala förhållanden, liksom under patogen-inducerad PCD. En annan LAZ-suppressor, LAZ1, och dess närmaste homolog LAZ1H1, kodar för DUF300 domän-proteiner, och visades vara lokaliserade i det tonoplast-membran som omger vakuolen. Kombinerade mutationer av LAZ1 och LAZ1H1 ledde till en förändrad vakuolär morfologi, inhibering av tillväxt, och till en konstitutiv aktivering av hormonell brassinosteroid (BR) signalering. Vakuolär transport och nedbrytning av BR-receptorn BRI1 visades öka i laz1 laz1h1-mutanten, och var associerad med en ackumulering av BRI1s co-receptor BAK1. Eftersom andra typer av vakuolära mutanter visade normala BR-respons, föreslogs det att DUF300-proteiner i tonoplasten har en specifik roll i regleringen av BR-signalering genom att bibehålla den vakuolära integritet som krävs för att på subcellulär nivå balansera BAK1-nivåer och fördelning av BR-receptorn. Utöver ändrad vakuolär funktion och hormonell signalering, visades laz1 laz1h1-mutanten också ha en defekt basal autofagi. Eftersom den enkla laz1-mutanten visade en likande autofagisk defekt under bristförhållanden och immunitets-relaterad PCD, tyder resultaten på att LAZ1 är en central komponent för en fungerande autofagi. Slutligen analyserades en inverkan av ökad autofagi på växtens produktivitet och stress-tolerans. Överuttryck i Arabidopsis av de autofagi-relaterade generna ATG5 eller ATG7 visades stimulera autofagi. Detta ledde i sin tur till en stimulerad immunitets-relaterad celldöd, och ökade toleransen mot oxidativ stress och nekrotrofiska svamp-patogener. Dessutom förbättrades även vegetativ tillväxt och fröproduktion. En genetisk stimulering av autofagi-processen kan därigenom komma att utnyttjas för att stärka ett brett spektrum av agronomiskt viktiga egenskaper, utan en samtidig minskning av reproduktiv kapacitet.