Regulación hormonal del desarrollo temprano del fruto en Arabidopsis thaliana.

Abstract

El fruto es un órgano esencial para las plantas, dado que permite que las semillas se desarrollen y maduren correctamente, y que se dispersen una vez completada su maduración. Desde hace varias décadas se ha propuesto que el proceso de desarrollo del fruto está modulado por fitohormonas, fundamentalmente giberelinas y auxinas, y que las semillas en desarrollo impulsarían el crecimiento del fruto mediante la síntesis de estas hormonas en su interior. Los mecanismos molecularres que rigen la actuación de estas hormonas, sin embargo, no se conocen. En diversas especies se ha descrito desde los años 30 que auxinas y giberelinas pueden inducir desarrollo del fruto independientemente de la fertilización, y en la planta modelo Arabidopsis thaliana también se ha comprobado, más recientemente, este efecto. En este trabajo se ha querido determinar qué mecanismos moleculares median la acción de estas hormonas, así como cuál es la naturaleza de la interacción entre auxinas y giberelinas en este proceso del desarrollo. <br/>Para facilitar el estudio de la fructificación y las fases iniciales del desarrollo del fruto, se ha utilizado el mutante de esterilidad masculina condicional cer6-2. En primer lugar, se ha demostrado que el ácido giberélico (GA3) y la auxina sintética 2,4-D son capaces de inducir desarrollo partenocárpico del fruto en el mutante cer6-2. El inhibidor del transporte polar de auxinas NPA, cuya capacidad de desencadenar desarrollo de fruto en pepino fue descrita en los años 70, también induce partenocarpia en este mutante de Arabidopsis. Experimentos de localización de auxinas, utilizando plantas transgénicas que expresan la proteína verde fluorescente (GFP) bajo la dirección del promotor sintético de respuesta a auxinas DR5, han demostrado que el primer paso del proceso de fructificación inducida por polinización y fertilización de los óvulos consiste en una acumulación de auxinas en los óvulos, y que el tratamiento con NPA mimetiza este efecto. Esta acumulación se restringe a los óvulos, ya que en el pericarpo del fruto no se aprecia incremento de la señal de GFP. Las giberelinas no tienen ningún efecto sobre la distribución de auxinas, lo que sugiere que su actuación en este proceso tiene lugar independientemente o con posterioridad a las auxinas. La polinización, así como los tratamientos inductores de partenocarpia con 2,4-D o NPA inducen la expresión de genes que codifican enzimas implicadas en la biosíntesis de giberelinas, y reprimen la expresión de genes que codifican enzimas implicadas en la inactivación de estas hormonas. La fructificación, inducida tanto por polinización como por todos los tratamientos, induce eventos de señalización por giberelinas: una fusión traduccional de GFP a la proteína de señalización por giberelinas RGA se degrada en respuesta a todos los tratamientos. Además, la capacidad de respuesta a los distintos tratamientos de diferentes mutantes en la ruta de señalización por giberelinas se ve afectada. Estos resultados apoyan la hipótesis de que las giberelinas medien la acción de las auxinas en el proceso de fructificación. Por último, un análisis transcriptómico de la respuesta a la inducción de partenocarpia mediante tratamiento con GA3 mostró que numerosos genes de respuesta a auxinas se inducen a consecuencia de tratamiento. Este resultado sugiere que la vía de señalización debe de ser compleja, con las giberelinas mediando la acción de las auxinas, pero actuando posteriormente, o en una rama independiente, también a través de la acción de las auxinas.

Fruit development is an essential process in the plant life cycle, because the fruit allows the correct development and maturation of the seeds, and also their dispersal. It has long been proposed that phytohormones, especially gibberellins and auxins, synthesized in developing seeds, would play a determinant role in fruit development, although their molecular mechanism of action remains unknown. Auxins and gibberellins have been shown to induce parthenocarpy, i.e. seedless fruit development, in several species, including Arabidopsis thaliana. The aim of this work has been to decipher the molecular mechanisms of action of auxins and gibberellins in fruit set, and to determine whether these hormones act independently, in a concerted manner, or sequentially, and which is the hierarchy between them. <br/><br/>In order to simplify the study of fruit set, a conditional male sterile mutant, cer6-2, has been used. The capacity of different hormones to induce fruit development independent of fertilization in this mutant was assessed: gibberellic acid (GA3), the synthetic auxin 2,4-D, and the inhibitor of polar auxin transport NPA were found to induce parthenocarpy, although with a limited effect compared to pollination. Auxin distribution analysis showed that pollination triggers a strong accumulation of auxins in the ovules, but not in the pericarp of the fruit. NPA treatment mimicked this effect, whereas GA3 treatment had no effect upon auxin distribution, suggesting that GAs act downstream of auxins in fruit set. Induction of fruit set via pollination, auxin or NPA treatment resulted in an upregulation of GA biosynthetic genes, further supporting the role of GAs as mediators of auxin action. GA signaling events were activated after fruit set induction by all treatments and pollination, as shown by the degradation of the GA signaling protein RGA, and by the altered response to all treatments shown by GA signaling mutants. Finally, microarray analysis showed that fruit set induction by GA3-treatment triggers changes in the expression of several auxin-responsive genes, which suggests that the signaling pathway in early fruit development is more complex, with gibberellins acting downstream of auxins, but also triggering auxin signaling events further downstream, perhaps on an independent branch of the pathway.