Ups and downs of staying quiet underwater : Characterization of the flooding-induced transcription factors RAP2.2 and LBD41 in Arabidopsis thaliana

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Hönle, Marvin:
Ups and downs of staying quiet underwater : Characterization of the flooding-induced transcription factors RAP2.2 and LBD41 in Arabidopsis thaliana.
Bayreuth , 2026 . - XI, 159 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Consequential of a man-made climate change, our environment is subjected to rising ocean levels and increased frequency of extreme weather events. Among them, storm floods can cause a high stress situation for most established crop plants. To ensure a stable food supply of the future, natural mechanisms of tolerance require detailed understanding. Against flooding, A. thaliana utilizes a quiescent response strategy, including an upregulation of hypoxia responsive genes(HRGs) through the transcription factors GVIIERFs RAP2.2, RAP2.12 and RAP2.3. Differences between these three proteins were investigated here. Importance during flooding was studied in the context of HRG transcription and resulting activity, as well as survival during submergence. Here, a higher impact of RAP2.12 was measured, with a near-identical function of RAP2.2 and minor importance of RAP2.3. When studying plant responses to reocurring hypoxia, a potential memory effect is recorded. Found among the HRGs induced by the GVIIERFs is the transcription factor LBD41. This protein promotes a repressive transcriptional effect on various seemingly unrelated target genes. Through studying KO and OE variant lines of LBD41, further characteristics of this elusive transcription factor are defined. Additional to its induction through hypoxia, increased activation of LBD41 was found in connection with germination, maturation and salt stress. The consequences of combined salt and low oxygen stress was investigated, where an overlap to LBD41 regulated genes could be found. Furthermore, a substantially reduced survival rate to submergence is recorded through misregulated overexpression. Additionally, the previously postulated post-translational modification of LBD41 could be detected in A. thaliana and when expressed in N. benthamiana. This modification with likely a single SUMO1 appears as the dominant proteoform, independent of hypoxia. Further modification is detected in heterologous N. benthamiana expression and the implications on activity and survival discussed. Potential orthologs of LBD41 in N. benthamiana, and conserved putative modification sites were identified. Further regulatory mechanisms influencing the activity of LBD41 are proposed.

Abstract in weiterer Sprache

Als Folge des menschengemachten Klimawandels ist unsere Umgebung steigenden Meeresspiegeln und erhöhter Frequenz an extremen Wetterereignissen ausgesetzt. Sturmfluten stellen eine besonders stressvolle Situation für die meisten Kulturpflanzen da. Um eine sichere Lebensmittelversorgung in der Zukunft zu gewährleisten, müssen natürliche Toleranzme chanismen im Detail verstanden werden. Bei Überflutung führt A. thaliana eine ruhende Antwortstrategie aus, einschließlich der Hochregulation von Hypoxie-responsiven Genen (HRGs) durch Transkriptionsfaktoren GVIIERFs RAP2.2, RAP2.12 und RAP2.3. Unterschiede zwischen diesen drei Proteinen wurden untersucht. Die Relevanz dieser Proteine während Überflutung wurde im Zusammenhang mit Transkription von HRGs und deren resultierende Aktivität, sowie dem Überleben unter Wasser betrachtet. Die wichtigste Rolle wurde für RAP2.12 gemessen, mit nahezu identischer Funktion von RAP2.2 und nur geringer Wichtigkeit von RAP2.3. Durch Untersuchung von wiederkehrendem Sauerstoffmangel konnte eine möglicher Erinnerungseffekt festgehalten werden. Innerhalb der von GVIIERFs induzierten HRGs befindet sich der Transkriptionsfaktor LBD41. Dieses Protein führt einen repressiven Effekt auf mehrere scheinbar unzusammenhängende Zielgene aus. Durch Betrachtung von KO und OE mutanten Pflanzenlinien, können weitere Eigenschaften dieses komplexen Transkriptionsfaktors aufgedeckt werden. Zusätzlich zur Induktion durch Hypoxie, konnte erhöhte Aktivierung in Zusammenhang mit Keimung, Reifung und Salzstress festgestellt werden. Die Folgen von kombiniertem Salzstress und Sauerstoffmangel wurden untersucht, wodurch eine Überschneidung der regulierten Gene gefunden wurde. Zusätzlich verursachte Überexpression einen wesentlichen Einbruch des Überlebens bei Überflutung. Des Weiteren konnte die zuvor postulierte post-translationale Modifikation von LBD41 in A. thaliana detektiert werden. Diese Modifikation findet durch vorraussichtlich ein einzelnes SUMO1 statt, und stellt die dominante Form des Proteins dar. Weitere Modifikationen wurden durch heterologe Expression in N. benthamiana entdeckt, sowie potenzielle N. benthamiana Orthologe von LBD41 identifiziert. Konservierte SUMOylierungsstellen sowie weitere putative Regulationsmechanismen der Transkriptionsantwort werden diskutiert.