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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.11.2018.tde-25072018-164614
Document
Author
Full name
Jonathas Pereira das Graças
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2018
Supervisor
Committee
Peres, Lazaro Eustaquio Pereira (President)
Burlat, Vincent
Figueira, Antonio Vargas de Oliveira
Jamet, Elisabeth
Vitorello, Victor Alexandre
Title in English
The cell wall is crucial for cellular sensitivity to low pH: the role of class III peroxidases and ethylene in cell death in Arabidopsis thaliana roots
Keywords in English
Acidity
Cell death
Cell wall integrity
Cell wall tension
Class III peroxidases
Ethylene
Abstract in English
Evidence suggests that root cell walls are a target of low pH stress. Severe low pH stress causes cell death in the root tip. The walls of these cells are highly dynamic. Our hypothesis is that in these cells low pH causes stress in the cell wall due to excessive loosening. Thus, a certain level of turgor pressure should be required to cause cell death. Here, we aimed to investigate the role of the cell wall in low pH stress leading to cell death. We looked for the possible involvement of players such as class III peroxidases and ethylene signaling, which could promote changes in the cell wall and cause differential sensitivity to low pH. Arabidopsis thaliana and mutants in the genetic background of Col-0 were grown in a medium containing agar (0.8%) and half the concentration of Hoagland's nutrient medium. Five-day-old seedlings were exposed to low pH in a solution composed of 0.5 mM CaCl2 and 0.6 mM Homopipes buffer. Treatment of roots at pH 4.6 caused death of cells in the transition zone (TZ) and meristematic zone (MZ). However, cell death was negligible when plants were treated at pH 4.6 in an hyperosmotic solution (Ψs = -0.37 MPa), thereby decreasing cell wall tension. Also, an hypoosmotic treatment (HO) caused cell death at pH 5.8 in TZ. Cell death was accelerated when HO was performed in a low pH solution. The mutant of a cell wall integrity sensor protein, wak-1, displayed reduced cell death when exposed to low pH. Also, cell death seems to occur through a programmed cell death mechanism. Thus, low-pH induced cell death appears to be triggered by perception of cell wall stress. We examined published data to search for class III peroxidases possibly involved in cell death due to low pH. The gene for AtPrx62 is induced 8.37-fold in low pH exposed roots. The atprx62 KO mutant was less sensitive to low pH than Col-0 roots. The mRNA of AtPRX62 accumulated in the same zone that cell death occurred due to low pH. This strongly suggests that AtPRX62 is positive regulator of low-pH induced cell death. Also, ethylene pretreatment induced subsequent tolerance of roots to low pH and this was dependent of its receptor ETR1. Together we show that a cell wall stress caused by low pH causes cell death. This death was in part due AtPRX62 activity and was also suppressed by ethylene.
Title in Portuguese
A parede celular é crucial para a sensibilidade celular ao baixo pH: o papel de peroxidases de classe III e etileno na morte celular em raízes de Arabidopsis thaliana
Keywords in Portuguese
Acidez
Etileno
Integridade de parede celular
Morte celular
Peroxidases de classe III
Tensão de parede celular
Abstract in Portuguese
Evidencias recentes sugerem que a parede celular é um alvo direto do estresse por baixo pH em raízes. Estresse severo por baixo pH rapidamente causa a morte de células do ápice radicular, onde a parede é altamente dinâmica. Nossa hipótese é de que nessas células, o baixo pH cause mudanças na parede celular, como afrouxamento excessivo. Assim, a pressão de turgor sobre a parede deve ser necessária para causar danos que levam à morte das células. Neste trabalho, nós investigamos o papel da parede celular no estresse por baixo pH e na consequente morte de células radiculares. Além disso, tambem foi investigado o papel de peroxidases de classe III e sinalização por etileno, que promovem mudanças na parede celular as quais podem gerar sensibilidade diferenciada a baixo pH. Plântulas de Arabidopsis thaliana e mutantes no background de Col-0 foram crescidas em meio contendo ágar (0.8%) e metade da concentração dos nutirentes do meio de Hoagland. Plântulas com 5 dias de idade foram expostas a baixo pH em uma solução composta por 0.5 mM de CaCl2 e 0.6 mM de tampão Homopipes. O tratamento de raízes a pH 4.6 causou morte em células da zona de transição (TZ) e zona meristemática (MZ). Entretanto, a morte celular foi negligível quando as plantas foram tratadas a pH 4.6 simultaneamente com a diminuição da tensão na parede celular, através de solução com potencial de - 0.37 MPa. Além disso, um choque repentino na pressão de tugor por intermédio de tratamento hiposmótico (HO) causou morte celular a pH 5.8 na TZ. A morte celular foi acelerada quando HO foi realizado em uma solução a baixo pH. A morte celular foi reduzida no mutante wak-1 exposto a baixo pH. WAK-1 é um receptor de parede que atua no sistema de monitoramento de integridade da parede celular. A morte das células provavelmente ocorreu por meio de morte celular programada. Juntos, esses dados trazem evidências que a parede celular é crucial para percepção do estresse causado por baixo pH e essa percepção possivelmente está envolvida em repostas que causam a morte celular. Nós examinamos dados publicados procurando por peroxidases classe III possivelmente envolvidas com a morte celular devido baixo pH. O gene codante para AtPRX62 foi induzido 8.37 vezes em raízes expostas a baixo pH. O mutante KO atprx62 foi menos sensível a baixo pH que raízes de Col-0. O mRNA de AtPRX62 acumulou-se na mesma zona de morte celular devido baixo pH em raízes de Col-0. Isso sugere que a atividade de AtPRX62 está relacionada com a morte celular devido baixo pH. Além disso, o pré-tratamento com etileno induziu tolerância de raízes à exposição subsequente a baixo pH. Esta indução foi dependente de sinalização via ETR1. No conjunto, nós mostramos que um estresse causado na parede celular pelo baixo pH causa a morte celular. Essa morte é em parte devido a atividade de AtPRX62 mas pode ser aliviada por etileno.
 
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Release Date
2020-07-26
Publishing Date
2018-08-02
 
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