Określenie roli modułu sygnalizacyjnego MAPKKK17/18/ABI1 PP2C w regulacji odpowiedzi komórkowej na kwas abscysynowy

Abstract

Rośliny opierają się na złożonych sieciach sygnalizacyjnych, które umożliwiają im adaptację do stresu abiotycznego przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności rozwojowej. Kwas abscysynowy (ABA) jest kluczowym regulatorem reakcji na stres, a jego współdziałanie z kaskadami kinaz MAPK oraz układem regulacji proteasomalnej zapewnia swoistość odpowiedzi i umożliwia adaptację do warunków środowiska. Niniejsza rozprawa dotyczy roli MAPKKK17, MAPKKK18, fosfatazy ABI1 oraz ligaz ubikwityny typu HECT: UPL4 i UPL6 u Arabidopsis thaliana w odpowiedzi na traktowanie ABA. Analizy przeprowadzono z wykorzystaniem sekwencjonowania RNA, badań różnicowej ekspresji genów oraz testów fenotypowych linii mutantów i roślin z nadekspresją wybranych genów. Uzyskane wyniki ujawniły odmienne, choć częściowo nakładające się funkcje MAPKKK17 i MAPKKK18 w odpowiedzi na ABA. MAPKKK17 pełnił głównie rolę w regulacji metabolizmu RNA i procesów potranskrypcyjnych w warunkach traktowania ABA, natomiast MAPKKK18 kontroluje rozwój organów i aparatów szparkowych, łącząc sygnalizację ABA z plastycznością morfogenezy. Obie kinazy regulowały wspólne moduły transkrypcyjne związane z transportem jonów, sygnalizacją kwasu jasmonowego oraz wapniową regulacją aparatów szparkowych, co wskazuje na dwupoziomową architekturę kontroli sygnałowej ABA-MAPK. Analizy transkrypcyjne wykazały ponadto, że ABI1 oraz MAPKKK18 wpływają na ekspresję genów odpowiedzi na auksynę (SAUR, Aux/IAA, PIN), wspierając model antagonizmu ABA–auksyna poprzez wspólne sieci transkrypcyjne. W oparciu o obserwacje profili transkrypcyjnych postawiliśmy następnie pytanie, czy regulacja zależna od ABA w sieci ABI1–MAPKKK18 ma także związek z degradacją proteasomalną, która odgrywa kluczową rolę w regulacji (resetowaniu) ścieżek sygnałowych. Część rozprawy poświęcona regulacji transkrypcyjnej czynników proteolitycznych obejmowała charakterystykę ligaz ubikwityny: UPL4 i UPL6. Stwierdzono, że UPL4 działa jako pozytywny regulator wzrostu korzeni zależnego od ABA oraz jako negatywny regulator rozwoju aparatów szparkowych, natomiast UPL6 hamuje proliferację komórek epidermy, wpływając na gęstość aparatów szparkowych pod wpływem ABA. Ekspresja obu ligaz była podwyższona w mutantach abi1td i mkkk17, co sugeruje ich powiązanie z kluczowymi elementami sygnalizacji ABA. Podobieństwo fenotypów linii z modyfikowaną aktywnością UPL do mutantów MAPKKK18 dodatkowo potwierdza ich rolę w procesach sygnalizacyjnych zależnych od ABA i MAPK. Podsumowując, przedstawione wyniki definiują sieć regulacyjną zależną od ABA, w której kaskady kinaz, fosfatazy i ligazy ubikwitynowe wspólnie modulują profile (programy) transkrypcyjne oraz procesy rozwojowe. Integracja regulacji transkrypcyjnej oraz potranskrypcyjnej, obejmującej kontrolę proteolityczną, stanowi mechanistyczne wyjaśnienie sposobu, w jaki rośliny równoważą adaptację do stresu z utrzymaniem wzrostu.

Plant responses rely on complex signalling networks to adapt to abiotic stress while maintaining developmental flexibility. Abscisic acid is a key regulator of stress responses, and its interaction with mitogen-activated protein kinase signalling and proteasome-mediated regulation ensures both specificity and adaptability. This thesis investigated the functional roles of Arabidopsis thaliana MAPKKK17, MAPKKK18, ABI1, and E3 ubiquitin ligases UPL4 and UPL6, using RNA sequencing, differential gene expression analyses, and phenotypic assays in mutant and overexpression lines. The results revealed distinct yet overlapping roles for MAPKKK17 and MAPKKK18 in mediating ABA responses. MAPKKK17 preferentially may modulate RNA metabolism and post-transcriptional regulation during stress, whereas MAPKKK18 has been linked to organ development and stomatal patterning, thereby linking ABA signalling to morphogenetic plasticity. Both kinases share transcriptional targets involved in ion transport, jasmonic acid signalling, and calcium-mediated stomatal regulation, revealing a dual-layered regulatory architecture. Transcriptional analyses further indicated that ABI1 and MAPKKK18 influence the expression of auxin-responsive gene families (SAUR, Aux/IAA, PIN), supporting a role for ABA-auxin antagonism through shared transcriptional modules. These findings shed light on how plants balance stress acclimation with growth by integrating hormonal pathways through common regulatory circuits. Based on observed transcriptional profiles, we next examined whether ABA-responsive regulation within the ABI1–MAPKKK18 signalling network also extends to the proteasomal layer, which plays a critical role in shaping (regulation and resetting) of signalling outputs. To examine transcriptional components involved in ubiquitin-mediated proteolysis within this circuit, we analysed the HECT-type E3 ligases UPL4 and UPL6. UPL4 exhibits a tissue-specific dual role: it acts as a positive regulator of ABA-dependent primary root elongation and as a negative regulator of stomatal development. UPL6 shows transcriptional and phenotypic patterns consistent with a role in ABA-dependent developmental regulation. Together, these findings suggest a previously underexplored ABA-responsive regulatory framework where MAPKKK17/18, ABI1, and UPL4/6 converge. By integrating kinase cascades, phosphatase activity, and ubiquitin-mediated proteolysis, this work reveals an additional layer of ABA–MAPK regulatory control, filling a key knowledge gap in how hormonal and proteolytic networks jointly fine-tune plant stress adaptation and development.