• Aucun résultat trouvé

Article : Dynamics of strigolactone function in pea : soumis dans Molecular Plant

Vascular supply

IV. Article : Dynamics of strigolactone function in pea : soumis dans Molecular Plant

Dun EA, de Saint Germain A, Rameau C, Beveridge CA. 

Résumé: 

Les  strigolactones  (SL),  ou  des  dérivés  de  strigolactones  ont  été  récemment  identifiés  comme  inhibiteurs  endogènes  de  la  ramification  des  plantes.  Cependant,  certaines  caractéristiques  physiologiques  essentielles  de  la  dynamique  de  l'action  des  SL  restaient  à  caractériser. Nous montrons dans cet article que l’application successive de SL directement  sur  les  bourgeons  axillaires  de  chaque  nœud  le  long  de  la  tige,  peut  inhiber  totalement  la  ramification. Nous avons trouvé que les SLs, jusqu'à un certain point  peuvent  modérer la  croissance continue des branches en plus de la levée de dormance initiale. L'efficacité des SL  à inhiber la croissance des bourgeons et des branches est en corrélation avec la capacité des  SL à réguler l'expression de PsBRC1, un facteur de transcription impliqué dans la régulation  de  la  croissance  des  bourgeons  axillaires,  en  aval  des  SL.  Conformément  à  un  rôle  dynamique de l'hormone, l'inhibition de la croissance des bourgeons par les SL n’empêche  pas le  bourgeon de répondre à une décapitation plus tardive, alors même que le traitement  aux SL inhibe la levée de dormance des bourgeons si elles sont appliquées immédiatement  après  la  décapitation.  Comme  prévu  à  partir  de  l’hypothèse  de  l’existence  d’un  réseau  de  contrôle  de  la  ramification  chez  les  plantes,  l’application  exogène  de  SL  provoque  un  rétrocontrôle  négatif  sur  l’expression  des  gènes  de  biosynthèse  de  SL  dans  les  2  heures.  Finalement,  ces  résultats  révèlent  de  nouvelles  connaissances  sur  la  dynamique  du  fonctionnement des SL et permettent de soutenir l'hypothèse que les SLs ou un dérivé de SL  fonctionnent de façon dynamique sur l’inhibition de la  ramification.               

129

INTRODUCTION

Shoot branching is an important developmental process contributing to plant yield. It  is regulated by a myriad of factors internal and external to axillary buds including hormonal,  genetic,  environmental,  positional  and  developmental  factors  (Dun  et  al.,  2009a;  Leyser,  2009). For many years the phytohormones auxin and cytokinin (CK) have been implicated in  the control of bud outgrowth, auxin as a repressor (e.g. Thimann and Skoog, 1933; Thimann  and Skoog, 1934) and CK as a promoter (e.g., Sachs and Thimann, 1967). Strigolactones (SLs)  were recently discovered to also function in the repression of bud outgrowth (Gomez‐Roldan  et al., 2008; Umehara et al., 2008), however their role in the shoot remains to be completely  physiologically characterized. Various other roles for SLs in plant development are now being  unraveled  (e.g.  root  hair  growth,  root  growth,  secondary  growth,  adventitious  root  formation; Kapulnik et al., 2011; Ruyter‐Spira et al., 2011; Agusti et al., 2011; Rasmussen et  al., 2012, reviewed in this issue by Brewer et al., 2012). 

Prior  to  the  discovery  that  SLs  function  in  shoot  branching  inhibition,  SLs  were  not  known  to  have  an  endogenous  function  within  the  plant.  SLs  were  instead  known  as  chemicals  exuded  into  the  rhizosphere  that  stimulate  beneficial  symbioses  with  arbuscular  mycorrhizae  (Akiyama  et  al.,  2005)  and  promote  the  germination  of  parasitic  weed  seeds  including  Striga  spp.  and  Orobanche  spp.  (Cook  et  al.,  1972).  This  function  of  SLs  in  the  rhizosphere  helped  in  the  discovery  of  SL  mediated  branching  inhibition,  as  increased  branching mutants in rice (Oryza sativa) and pea (Pisum sativum) that were thought to lack  an unknown branch‐inhibiting hormone showed reduced mycorrhizal associations and their  root  exudates  exhibited  decreased  capacity  for  stimulation  of  parasitic  weed  seed  germination  (Gomez‐Roldan  et  al.,  2008;  Umehara  et  al.,  2008;  reviewed  in  Dun  et  al.,  2009a). 

The  majority  of  the  SL  biosynthesis  and  response  pathway  in  plants  remains  to  be  determined.  To  date,  mutant  based  approaches  have  identified  several  steps  in  the  SL  biosynthesis pathway. These have utilized the ramosus (rms) mutants in pea, more axillary 

growth (max) mutants in Arabidopsis thaliana, decreased apical dominance (dad) mutants in  Petunia  hybrida  (petunia)  and  dwarf  (d)  and  high  tillering  dwarf  (htd)  mutants  in  rice 

(reviewed in Dun et al., 2009a; Beveridge and Kyozuka, 2010; Domagalska and Leyser, 2011).  These mutants show increased branching and are generally shorter in stature than their  

131 wild‐type  counterparts  (e.g.  Beveridge  et  al.,  1996;  Napoli,  1996;  Stirnberg  et  al.,  2002; Ishikawa et al., 2005; Zou et al., 2006), and can be classified as either SL deficient or SL  response mutants based on SL measurements and responses. 

The  proposed  biosynthetic  pathway  starts  with  a  carotenoid  precursor,  likely  β‐ carotene. Based on recent in vitro biochemical studies, DWARF27 (D27), a plastid‐localised  iron‐containing protein (Lin et al., 2009), is the first enzyme in the SL pathway and functions  as  an  isomerase  to  convert  trans‐β‐carotene  to  9‐cis‐β‐carotene  (Alder  et  al.,  2012).  CAROTENOID  CLEAVAGE  DIOXYGENASE  (CCD)  7  and  CCD8  in  the  plastid,  encoded  by 

RMS5/MAX3/DAD3/D17/HTD1  and  RMS1/MAX4/DAD1/D10  respectively  (Sorefan  et  al., 

2001; Booker et al., 2004; Snowden et al., 2005; Johnson et al., 2006; Zou et al., 2006; Arite  et al., 2007; Drummond et al., 2009) then act sequentially to produce carlactone, a mobile  intermediate  in  the  SL  pathway  (Alder  et  al.,  2012).  A  cytochrome  P450,  MAX1,  likely  acts  after  CCD7  and  CCD8  in  the  synthesis  of  SLs  (Booker  et  al.,  2005).  An  α/β‐fold  hydrolase  encoded  by  D14/D88/HTD2  and  an  F‐box  protein  encoded  by  RMS4/MAX2/D3  may  act  downstream of SLs and are required for the SL branching inhibition response (Stirnberg et  al., 2002; Ishikawa et al., 2005; Johnson et al., 2006; Gomez‐Roldan et al., 2008; Umehara et  al., 2008; Arite et al., 2009; Gao et al., 2009; Liu et al., 2009).  

BRANCHED1  (BRC1),  a  TCP  (TB1,  CYCLOIDEA,  PCF  domain)  transcription  factor 

strongly expressed in non‐growing axillary buds, likely functions downstream of SL response  to  regulate  bud  outgrowth  (Aguilar‐Martínez  et  al.,  2007;  Finlayson,  2007;  Brewer  et  al.,  2009; Braun et al., 2012). Evidence for this includes that the increased branching observed in  the  Arabidopsis  and  pea  brc1  mutants  cannot  be  reduced  by  SL  treatment  (Brewer  et  al.,  2009;  Braun  et  al.,  2012),  and  that  BRC1  expression  in  the  bud  is  down‐regulated  in  SL  mutants  and  up‐regulated  by  SL  treatment  (Aguilar‐Martínez  et  al.,  2007;  Finlayson,  2007;  Braun et al., 2012; Dun et al., 2012). However, BRC1 likely integrates multiple bud outgrowth  regulatory pathways, not just the SL pathway, at the bud, as its expression is regulated by  multiple bud growth regulatory factors especially CK (Aguilar‐Martínez et al., 2007; Finlayson  et al., 2010; Braun et al., 2012; Dun et al., 2012). 

The SL biosynthesis and response pathway is not a simple linear pathway but rather  involves  feedback  regulatory  mechanisms  (Dun  et  al.,  2009b).  If  SL  response  is  depleted,  such as via mutation of SL biosynthesis or response genes, the expression of CCD7 and CCD8  is enhanced (e.g. Bainbridge et al., 2005; Foo et al., 2005; Snowden et al., 2005; Johnson et  

133 al., 2006; Arite et al., 2007; Drummond et al., 2009; Dun et al., 2009b; Hayward et al., 2009)  and the export of xylem‐sap CK (X‐CK) is reduced (Beveridge et al., 1997a; Beveridge et al.,  1997b;  Morris  et  al.,  2001;  Foo  et  al.,  2007).  In  pea,  it  is  suggested  that  this  feedback  regulation involves a novel long‐distance signal that moves in the direction of shoot‐to‐root  and requires RMS2 (sequence unknown; Beveridge, 2000; Dun et al., 2009b). There is some  evidence  that  a  similar  novel  signalling  system  may  occur  in  Arabidopsis,  but  it  is  minor  compared with the role of auxin (Hayward et al., 2009). 

Auxin is also implicated in the SL pathway as it has been demonstrated to positively  regulate the expression of CCD7 and/or CCD8 SL biosynthesis genes in pea, Arabidopsis, rice  and  chrysanthemum  (Dendranthema  grandiflorum);  exogenous  treatment  with  auxin  enhances the expression of CCD7 and/or CCD8, and removal of the apical source of auxin via  decapitation  leads  to  a  substantial  depletion  while  replacement  with  exogenous  auxin  can  restore CCD7 and/or CCD8 expression to levels observed in intact wild‐type plants (Sorefan  et  al.,  2001;  Foo  et  al.,  2005;  Johnson  et  al.,  2006;  Zou  et  al.,  2006;  Arite  et  al.,  2007;  Hayward et al., 2009; Liang et al., 2010). The depletion in SL biosynthesis gene expression,  and  presumably  SL  content,  after  decapitation  likely  in  part  accounts  for  the  decapitation‐ induced  bud  outgrowth  response.  Indeed,  decapitation‐induced  outgrowth  at  the  node  below  the  site  of  decapitation  can  be  repressed  by  directly  treating  the  bud  with  GR24,  a  synthetic  SL  (Brewer  et  al.,  2009).  A  cautionary  note  is  worthwhile  with  respect  to  this  decapitation response. Morris et al. (2005) and Renton et al. (2012) have demonstrated that  auxin  changes  after  decapitation  are  too  slow  to  be  responsible  for  the  initiation  of  bud  outgrowth  that  occurs  a  considerable  distance  from  the  site  of  decapitation.  Furthermore,  we have not explored carefully whether SL can prevent the earliest stage of bud outgrowth  observed very soon after decapitation. 

The  bud  outgrowth  promoter  CK  is  another  major  contributor  to  the  decapitation  response.  Auxin  depletion  causes  enhanced  expression  of  ADENOSINE  PHOSPHATE‐

ISOPENTYLTRANSFERASE  (IPT)  CK  biosynthesis  genes,  local  stem  CK  content  and  X‐CK 

supplied from the roots to the shoot and depleted expression of CK metabolism genes; these  changes are reversed by re‐supply of apical auxin to the plant (Bangerth, 1994; Tanaka et al.,  2006;  Werner  et  al.,  2006;  Shimizu‐Sato  et  al.,  2009).  It  is  likely  that  auxin,  CK  and  SL  co‐ ordinately regulate bud outgrowth after decapitation. Indeed, recent studies have indicated  

135 that  CK  and  SL  coordinate  bud  outgrowth  in  pea  by  converging  at  the  bud  to  regulate  expression of PsBRC1 (Braun et al., 2012; Dun et al., 2012). 

Phenotypic mutant studies indicate that SLs can be synthesised in root and/or shoot  tissue,  can  move  upwards  in  the  direction  of  root  to  shoot  only,  and  that  bud  outgrowth  inhibition requires SL response local to the bud (e.g. Napoli, 1996; Beveridge et al., 1997a;  Turnbull  et  al.,  2000;  Stirnberg  et  al.,  2007).  The  inability  of  SLs  to  move  downwards  from  shoot  to  root  was  recently  confirmed  by  SL  measurement  from  root  tissue  of  grafted  pea  plants (Foo and Davies, 2011) and SLs were detected in Arabidopsis xylem sap samples and  may therefore move upwards in the plant to inhibit branching via this mechanism (Kohlen et  al., 2011).  Consistent with this, the recently identified SL transporter from petunia, PDR1, is  a  pleiotropic  drug  resistance  (PDR)‐type  transporter  and  is  expressed  in  vasculature  and  nodal tissues adjacent to leaf axils but not in axillary buds (Kretzschmar et al., 2012). 

There  are  two  hypotheses  about  the  function  of  SLs  for  bud  outgrowth  inhibition,  though  they  are  not  necessarily  exclusive.  One  hypothesis  suggests  that  SLs  act  directly  in  the  bud  to  inhibit  bud  outgrowth  (Brewer  et  al.,  2009;  Dun  et  al.,  2012),  while  the  other  hypothesis proposes that SLs impede buds abilities to export auxin into the main stem, and  hence inhibit their outgrowth (Bennett et al., 2006; Prusinkiewicz et al., 2009; Crawford et  al., 2010; reviewed in Domagalska and Leyser, 2011). A recent stem auxin transport modelling  study suggests that changes in auxin transport in SL mutants are more likely due to changes  in the uptake and transfer of auxin to the long‐distance polar stream rather than an affect of  SLs  on  auxin  movement  in  the  polar  stream  itself  (Renton  et  al.,  2012).  Accordingly,  both  models rely on SL action in buds.  Direct bud application studies using the synthetic SL, GR24,  in  addition  to  bud  specific  gene  expression  studies  demonstrate  that  SLs  can  inhibit  bud  outgrowth directly at the bud (e.g. Gomez‐Roldan et al., 2008; Brewer et al., 2009; Braun et  al., 2012; Dun et al., 2012). SLs supplied to the roots via hydroponics or growth media, or to  the stem vasculature, can also lead to bud outgrowth inhibition (e.g.  Gomez‐Roldan et al.,  2008; Umehara et al., 2008; Brewer et al., 2009; Crawford et al., 2010), but it has yet to be  determined if this is due to delivery of SLs or SL metabolites to the axillary bud or via action  from a distance, such as in the stem.   The following experiments address several aspects of strigolactone function that  have been postulated but until now have waited testing with SL applications. These include  whether SLs are perceived in leaves adjacent to buds, whether they require an apical auxin 

136                              

137 supply  for  inhibition  of  bud  outgrowth,  and  whether  they  affect  only  bud  release  or  both  bud  release  and  branch  growth.  In  so  doing  we  also  address  the  mechanism  of  how  an  axillary branch can undergo a transition from a readily repressible strigolactone responsive  bud  to  a  branch  which  essentially  phenocopies  the  dominant  main  stem.  We  also  test  whether  strigolactone  has  a  dynamic  role  in  the  process  of  bud  inhibition,  release  and  re‐ inhibition. 

RESULTS

Inhibition of branch growth in SL deficient pea plants

Previous  experiments  in  pea  have  examined  the  ability  of  direct  treatments  of  the  synthetic SL, GR24, in inhibiting the outgrowth of one axillary bud at a particular node of SL  deficient  mutant  plants  (e.g.  Gomez‐Roldan  et  al.,  2008;  Dun  et  al.,  2009b).  As  SL  can  endogenously  inhibit  the  outgrowth  of  all  axillary  buds  of  wild‐type  pea  plants,  we  determined if this is also the case when the synthetic SL GR24 is exogenously applied to all  axillary buds. This needs to be shown, as growing axillary buds or branches can inhibit the  growth of other buds or branches and hence a small inhibitory effect at one bud in mutant  plants may be reinforced by other growing buds and is not representative of the case in wild‐ type  plants  where  all  buds  are  inhibited  simultaneously.  Axillary  buds  of  SL  deficient  rms1  plants were treated on two consecutive days as each leaf opened (two treatments per bud in  total).  Wild‐type  non‐treated  plants  were  grown  alongside  as  a  comparison.  Overall,  two  single treatments of 1 µM GR24 to rms1 buds all along the stem were effective at inhibiting  bud  growth  relative  to  controls,  except  for  the  bud  at  nodes  2  and  11  which  exhibited  a  small  amount  of  growth  relative  to  wild‐type  control  plants  (Fig.  1).  Since  previous  experiments have shown that direct GR24 treatment is effective at inhibiting outgrowth of 

rms1  buds  at  node  2  when  other  buds  were  left  untreated  (e.g.  Nelson  et  al.,  2011),  it  is 

likely that the buds at node 2 grew out in this case due to release from inhibition by GR24. In  contrast with our treatment method, wild‐type plants have a continuous supply of SL. 

GR24 is perceived in the axillary bud, not adjacent stipules

The  RMS4  F‐box  protein  is  required  for  SL  inhibition  of  branching,  as  the  increased  branching  phenotype  of  rms4  mutant  plants  is  not  affected  by  treatment  with  exogenous  GR24  (Gomez‐Roldan  et  al.,  2008).  Previous  expression  analyses  found  that  RMS4  is  more  strongly expressed in the stipules than in the roots, node or apex of pea plants (Johnson et  

138              

139 al.,  2006).  Experiments  conducted  previously  to  test  SL  inhibition  of  bud  outgrowth  have  either supplied SL to the stem vasculature, via hydroponics, or within a 5 or 10 µL volume  applied  to  the  axillary  buds.  The  larger  volume  bud  treatments  completely  cover  small  axillary buds and also make contact with the stipules. To rule out the possibility that SL can  be  perceived  in  the  stipules  to  inhibit  bud  outgrowth,  we  treated  the  stipules  or  the  bud  specifically with a small 4 µL volume of rms1 plants with or without GR24 being careful to  ensure that the stipule treatments did not contact the axillary bud and vice versa. In contrast  to bud treatments, treatment of GR24 to the stipules did not significantly reduce rms1 bud  length (Fig. 2). In addition, GR24 treatment to the stipules had no effect on final stipule size  (data  not  shown).  These  data  indicate  that  SL  is  not  perceived  in  the  stipules  for  bud  outgrowth  inhibition.  The  relatively  high  expression  of  RMS4  in  the  stipules  might  instead  relate  to  a  different  developmental  role  for  SLs/RMS4,  such  as  modulation  of  leaf  senescence,  light  signalling  or  feedback  regulation  of  SL  content  (e.g.  Woo  et  al.,  2001;  Mayzlish‐Gati et al., 2010). 

GR24 affects outgrowth and continued growth of branches in a PsBRC1-dependent manner

Direct treatment of GR24 to axillary buds can inhibit branching in SL deficient mutant  and decapitated pea plants (Fig. 1 and e.g. Gomez‐Roldan et al., 2008; Brewer et al., 2009).  To investigate if axillary buds or branches become insensitive to growth inhibition by GR24,  we  determined  the  responses  of  growing  rms1  buds  of  increasing  size  and  developmental  age  to  direct  GR24  treatment.  SL  deficient  rms1  seeds  were  sown  at  daily  intervals  to  achieve growing buds of different sizes and stages of development. Buds at a particular node  were  then  treated  at  daily  intervals  for  two  days  while  the  buds  at  the  nodes  below  the  treatment  node  were  excised  to  encourage  the  growth  of  the  test  bud.  Firstly  we  tested 

rms1 SL deficient buds at node 3 with a mean size ranging from 0.19 ± 0.01 mm up to 1.09 ± 

0.08 mm at the time of treatment (Fig. 3A). As expected, control treated buds continued to  grow after treatment, and their growth followed an exponential pattern as seen previously  in  the  early  stages  of  bud  growth  (e.g.  Brewer  et  al.,  2009).  Treatment  with  GR24  was  effective  at  significantly  reducing  the  growth  of  all  of  these  small  buds  in  the  seven  days  since the initial treatment; bud growth was almost completely halted by GR24 treatment to  these buds (Fig. 3B). 

140                

141 To further test the responsiveness of buds of increasing size and developmental stage  to  GR24,  another  experiment  was  conducted  with  a  similar  design,  except  buds  at  node  8  with a larger mean size at the time of treatment, ranging from 0.88 ± 0.05 mm up to 14.23 ±  1.94 mm, were tested (Fig. 3C). In this case, GR24 was effective at inhibiting buds with a pre‐ treatment size up to approximately 2 mm, but only reduced rather than inhibited the growth  of  buds  with  a  pre‐treatment  size  above  5  mm  (Figs.  3C  and  3D).  This  suggests  that  bud  outgrowth  is  not  a  simple  on/off  switch  but  perhaps  a continuum  and  that  SL  functions  in  controlling bud growth over this broad period. 

Finally,  to  determine  if  branches  ever  become  resistant  to  GR24  inhibition  and  to  determine  if  the  diminishing  effect  of  SL  occurs  in  other  genetic  backgrounds  of  pea,  SL  deficient rms1 seeds, on the dwarf gibberellin (GA) deficient Térèse background, were sown  every second day and grown until initial bud sizes ranged from 1.62 ± 0.40 mm up to 18.78 ±  1.79  mm  (Fig.  4A).  These  correspond  to  particularly  advanced  branches  as  the  internode  lengths are short in dwarf lines such as Térèse. Measuring bud growth 7 d after treatment  revealed that small branches on older plants rms1 plants transitioned from exhibiting partial  to no growth inhibition in response to GR24 treatment (Fig. 4B). This suggests that as axillary  branches  become  dominantly  growing  shoots  they  undergo  a  transition  into  a  state  of  SL  insensitivity.  We next investigated if the degree of SL responsiveness of these buds and branches  could be explained by the ability of GR24 to up‐regulate expression of PsBRC1. PsBRC1 is a SL  responsive transcription factor expressed strongly in non‐growing axillary buds and weakly in  the main shoot tip that is thought to be necessary downstream of SLs and CK to regulate bud  outgrowth (Braun et al., 2012; Dun et al., 2012). Buds and branches from equivalent plants  to  those  described  above  (Fig.  4)  were  treated  alongside  and  were  harvested  6  h  after  treatment for gene expression analyses. Careful dissection of apical buds from branches was  performed to avoid dilution effect.  PsBRC1 expression (Fig. 4C) was most greatly elevated by  GR24  in  buds  whose  growth  was  greatly  suppressed  (Fig.  4B).  In  contrast,  expression  of 

PsBRC1  was  also  induced,  but  not  to  the  same  extent,  in  small  growing  branches  whose 

growth  was  reduced  by  treatment  with  GR24.  Growing  branches  that  exhibited  no  growth  repression  by  GR24  treatment  showed  no  GR24‐induced  induction  of  PsBRC1  expression.  Therefore,  the  degree  of  SL  responsiveness  of  PsBRC1  expression  in  axillary  buds  and  branches might determine the degree of SL growth inhibition response. These results also  

142                          

143 suggest that SL and PsBRC1 function not only in bud release but also in regulating a bud’s  transition  into  a  dominantly  growing  shoot  as  PsBRC1  expression  decreased  over  time  alongside its decreased response to GR24. 

GR24 inhibition of bud outgrowth is not permanent

Previously  we  demonstrated  that  exogenous  treatment  of  GR24  to  the  uppermost  axillary  bud of decapitated wild‐type pea plants inhibits their outgrowth (Brewer et al., 2009). Under