Functional Profiling of PIF3 Regulated Genes in the Dark / Análisis funcional de los genes regulados por PIF3 en oscuridad

Abstract

After germination in darkness, Arabidopsis seedlings follow a dark specific developmental pattern called skotomorphogenesis or etiolation, characterized because the plant develops long hypocotyls together with a closed apical hook and cotiledons in order to protect the apical meristem while passing through the soil. The phytochrome (phy)-interacting basic helix-loop-helix transcription factors (PIFs) constitutively sustain the etiolated state of dark-germinated seedlings by actively repressing deetiolation in darkness. This action is rapidly reversed upon light exposure by phy-induced proteolytic degradation of the PIFs. Here, we combined a microarray-based approach with a functional profiling strategy and identified four PIF3-regulated genes misexpressed in the dark (MIDAs) that are novel regulators of seedling deetiolation. We provide evidence that each one of these four MIDA genes regulates a specific facet of etiolation (hook maintenance, cotyledon appression, or hypocotyl elongation), indicating that there is branching in the signaling that PIF3 relays. Furthermore, combining inferred MIDA gene function from mutant analyses with their expression profiles in response to light-induced degradation of PIF3 provides evidence consistent with a model where the action of the PIF3/MIDA regulatory network enables an initial fast response to the light and subsequently prevents an overresponse to the initial light trigger, thus optimizing the seedling deetiolation process. Collectively, the data suggest that at least part of the phy/PIF system acts through these four MIDAs to initiate and optimize seedling deetiolation, and that this mechanism might allow the implementation of spatial (i.e., organ-specific) and temporal responses during the photomorphogenic program.

After deetiolation plants will develop depending on the surrounding environmental conditions ans short-day, long-day, or shade. Arabidopsis seedlings display rhythmic growth when grown under diurnal conditions, with maximal elongation rates occurring at the end of the night under short-day photoperiods. Current evidence indicates that this behavior involves the action of the growth-promoting bHLH factors PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 4 (PIF4) and PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 5 (PIF5) at the end of the night, through a coincidence mechanism that combines their transcriptional regulation by the circadian clock with control of protein accumulation by light. To assess the possible role of PIF3 in this process, we have analyzed hypocotyl responses and marker gene expression in pif single- and higher-order mutants. The data show that PIF3 plays a prominent role as a promoter of seedling growth under diurnal light/dark conditions, in conjunction with PIF4 and PIF5.

Los reguladores transcripcionales PIF, factores de interacción con fitocromos de tipo bHLH, aseguran de manera constitutiva el estado etiolado de las plántulas germinadas en oscuridad mediante la represión activa del proceso de desetiolación. Tras la exposición a luz, los fitocromos revierten rápidamente esta acción induciendo la degradación proteolítica de los PIFs. Un análisis reciente del transcriptoma de un cuádruple mutante deficiente en PIF1, PIF3, PIF4 y PIF5 demuestra que los PIFs, en condiciones de oscuridad, regulan transcripcionalmente un grupo de genes que coincide ampliamente con genes regulados por luz en las líneas salvajes. Tales resultados establecen que la inducción de la desetiolación mediada por los fitocromos, implica la reversión del perfil transcripcional mantenido por los PIFs en oscuridad. En este trabajo, elucidamos, como los PIFs implementan la desetiolación de la planta combinando una aproximación basada en el análisis de expresión génica con una estrategia de descripción funcional. Como resultado identificamos también cuatro genes regulados por PIF3 como nuevos reguladores del desarrollo en oscuridad, los genes MIDA de “MISREGULATED IN DARK” (DESREGULADOS EN OSCURIDAD) y proporcionamos evidencia de que cada uno de estos cuatro MIDA, regula un aspecto diferente de la etiolación ( mantenimiento del gancho apical, cierre de los cotiledones o elongación del hipocotilo), sugiriendo así, una ramificación de la señal que PIF3 ejerce sobre estos genes. Además, tras los estudios con mutantes, combinamos la función inferida para los genes MIDA con sus perfiles de expresión en respuesta a la degradación por luz de PIF3 y evidenciamos consistentemente con un modelo, que la acción de la red reguladora PIF3/MIDAS posibilita, tras la exposición a luz, una primera respuesta que induciría rápidamente el proceso de desetiolación y una segunda que modularía los efectos de la primera optimizando el proceso de desetiolación de la plántula en función de las condiciones ambientales que la rodean. Los datos presentados sugieren colectivamente que al menos parte del sistema phy/PIF actúa a través de estos cuatro MIDAs para iniciar y optimizar la desetiolación de la plántula , y que éste mecanismo podría permitir la implementación de respuestas espaciales (específicas de órgano) y temporales durante el programa fotomorfogénico.