Estudio de los complejos transcripcionales que dirigen la formación del pistilo en angiospermas mediante la identificación de sus dianas moleculares y de su conservación funcional durante la evolución de las dicotiledóneas

Abstract

El gineceo es una adquisición evolutiva clave de las angiospermas, que protege a los óvulos en desarrollo y que ha dotado a las plantas con flores de múltiples ventajas evolutivas. Se han propuesto redes reguladoras de genes que dirigen el desarrollo de los tejidos especializados del gineceo basándose en estudios genéticos y moleculares llevados a cabo principalmente en Arabidopsis thaliana. Sin embargo, los estudios sobre la conservación/diversificación de los elementos y la topología de esta red son todavía escasos. En esta tesis doctoral se ha explorado la validez del modelo que hemos denominado Carpel Code, según el cual la identidad de los distintos módulos funcionales del gineceo estaría determinada por la formación de complejos transcripcionales en distintas combinaciones. Además, hipotéticamente, cada complejo tendría un conjunto de dianas moleculares distintas y/o distinta actividad reguladora sobre ellas en función de qué factores de transcripción estuviesen interaccionando. En concreto, para este trabajo, nos hemos centrado en un complejo integrado por los factores NGATHA, STYLISH y CRABS CLAW y que hemos propuesto, en base a estudios previos del laboratorio, que define la identidad del estilo. Para entender los mecanismos moleculares asociados a la especificidad funcional de este complejo, hemos determinado el efecto en el transcriptoma de Arabidopsis thaliana en respuesta a la inducción simultánea de los factores de transcripción NGA1 y STY1 y cómo varía cuando se impide la formación del posible complejo STY-CRC-NGA, observando que el conjunto de dianas moleculares de STY1 y NGA1 en presencia y ausencia de CRC es diferente, así como el efecto regulatorio sobre muchas de las dianas comunes en ambos contextos. Por otro lado, en este trabajo también nos hemos planteado conocer si la formación y función del complejo transcripcional STY-CRC-NGA podría estar conservada en especies evolutivamente distantes y con morfologías del gineceo distintas. Para ello, hemos estudiado la conservación funcional de los factores de transcripción pertenecientes a la familia SHI/STY/SRS en dos especies distantes dentro de las dicotiledóneas, Eschscholzia californica y Nicotiana benthamiana. Hemos encontrado que los patrones de expresión de los genes EcSRS-L y NbSRS-L durante el desarrollo floral son similares entre sí y a los reportados para los genes SHI/STY/SRS de Arabidopsis. También hemos caracterizado los efectos fenotípicos de la inactivación del gen NbSRS-L y de su sobreexpresión en Nicotiana. Nuestros resultados apoyan el papel ampliamente conservado de los genesSHI/STY/SRS dirigiendo el desarrollo del estilo y el estigma al menos dentro de las dicotiledóneas auténticas. Además, los resultados obtenidos indican que la formación del complejo proteico STY-CRC-NGA está conservado en N. benthamiana y E. californica, proporcionando nuevas ideas sobre el posible origen evolutivo del gineceo.

The gynoecium is a key evolutionary acquisition of angiosperms, which protects the developing ovules and has endowed flowering plants with multiple evolutionary advantages. Gene regulatory networks directing the development and patterning of specialized tissues in the gynoecium have been proposed based on genetic and molecular studies mainly carried out in Arabidopsis thaliana. However, studies on the conservation/diversification of these elements and the topology of this network are still scarce. In this work, we have explored the validity of the Carpel Code model, derived from previous work in the laboratory, and which postulates that the identity of the different functional modules of the gynoecium would be determined by the formation of transcriptional complexes in different combinations. The model also proposes that each complex would have a set of distinct molecular targets and/or distinct regulatory activity on them depending on which transcription factors are integrating it. In particular, for this thesis, we have focused on a complex formed by NGATHA, STYLISH and CRABS CLAW factors that, based on previous work from the lab, appears to direct style differentiation. To better understand the molecular mechanisms underlying functional specificity of such complex,we have determined the effect on the transcriptome of Arabidopsis thaliana in response to NGA1 and STY1 simultaneous induction and how it is different when formation of the possible STY-CRC-NGA complex is prevented. We have observed that the set of molecular targets of STY1 and NGA1 in the presence and absence of CRC is different, as well as the regulatory effect on many of the common targets in both contexts. In addition, in this work we have also studied if the formation and function of the STY-CRC-NGA transcriptional complex is conserved in evolutionarily distant species with different gynoecium morphologies. For this purpose, we have studied the functional conservation of transcription factors belonging to the SHI/STY/SRS family in two distant species within the eudicots, Eschscholzia californica and Nicotiana benthamiana. We have found that the expression patterns of EcSRS-L and NbSRS-L genes during flower development are similar to each other and to those reported for Arabidopsis SHI/STY/SRS genes. We have also characterized the phenotypic effects of NbSRS-L gene inactivation and overexpression in Nicotiana. Our results support a widely conserved role of SHI/STY/SRS genes at the top of the regulatory network directing style and stigma development, at least within core eudicots. In addition, these results indicate that the formation of the STY-CRC-NGA protein complex is conserved in N. benthamiana and E. californica, providing new insights on the possible evolutionary origin of the gynoecium.