Project

MAPK-signaleringsnetwerken ontrafelen in Arabidopsis.

Looptijd
01-04-2020 → Lopend
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: Bijzonder Onderzoeksfonds
Onderzoeksdisciplines
  • Natural sciences
    • Plant biochemistry
    • Plant cell and molecular biology
    • Plant developmental and reproductive biology
    • Plant genetics
Trefwoorden
Arabidopsis MAPK-cascade Signaaltransductie Drempel activiteit Chemische genetica Stress reacties Groei en ontwikkeling
 
Projectomschrijving

Inzicht in hoe planten veranderingen in hun omgeving waarnemen en de signalen verwerken om een adaptieve respons te genereren, is een centraal doel van plantenonderzoek om gewasopbrengsten te verbeteren onder abiotische of biotische stress. Ik hoop aspecten van dit probleem aan te pakken door de veelzijdige rollen van de mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade in stress, immuniteit, groei en ontwikkeling op te helderen. De MAPK-cascade is de meest universele en essentiële signaalmodule die geconserveerd is tussen planten en mensen. In Arabidopsis telt de MPK-familie, de laatste laag van de MAPK cascade, 20 leden. Onder deze MPKs regelen MPK4 en MPK3/6 een breed scala aan cellulaire programma's in stress- en immuunresponsen, evenals in groei en ontwikkeling. Studies met genetische mpk-mutanten waarbij kinase-activiteit afwezig is vanaf het zygote-stadium, hebben experimentele beperkingen of zelfs tegenstrijdige bevindingen die moeilijk te verklaren zijn. Mpk4 is bijvoorbeeld ernstig verkleind door het cytokinese-defect en abnormale activering van immuniteit, en de mpk3mpk6 dubbele mutant is lethaal in de vroege embryogenese. Wegens deze problemen is er in de afgelopen twee decennia weinig vooruitgang geboekt over de kennis van de precieze rol van MAPKs in specifieke signaleringsroutes.

Vooruitgang in het structuurgestuurde ontwerp van ATP-analogen heeft de voordelen van de potentie en selectiviteit van chemische inhibitoren verschaft voor het ontleden van eiwitkinase-signaalroutes. Tijdens mijn onderzoek als postdoctoraal onderzoeker en als assistent faculteitslid heb ik een veelzijdig en robuust plantenplatform opgezet om de complexiteit en veelzijdige functies van de kern-MAPKs als centrale signaalknooppunten te onderzoeken. Het ontwikkelde MAPK-systeem waarbij in vivo MAPK-activiteit onmiddellijk kan worden geremd door het ATP-analoog 3MBiP  toe te dienen, biedt een krachtig hulpmiddel om specifieke signaalroutes in elk ontwikkelingsstadium te ontleden. Door chemische genetica, genomica, netwerk- en systeemanalyses te integreren, bepaalde ik 1) de verschillende profielen van combinatorische MAPK-activeringsdynamiek en MAPK-doeltranscriptomen voor diverse stimuli, 2) het kern-MAPK-netwerk dat verantwoordelijk is voor gedeelde stress en immuunresponsen, 3) genoom- brede MPK4- en MPK3/6-doelwitgenen in zes categorieën primaire immuuntranscriptieprogramma's, en 4) het dynamisch samenspel tussen MPK4 en MPK3/6 bij de regulering van primaire immuniteit. Bovendien, door systematisch 3MBiP-concentraties te variëren en de op tijd en dosis gebaseerde verstoringen van in vivo MAPK-activiteit te onderzoeken, ontdekte ik de precieze range van threshold activiteit voor zowel MPK4 als MPK3/6 bij het reguleren van zes verschillende cellulaire programma's. De bevindingen bieden biologische en mechanistische verklaringen voor de manier waarop MPK4 differentieel signaalgeïnitieerde immuniteit, auto-immuniteit en cytokinese verschillend moduleert; en hoe MPK3/6 immuniteit, scheut epidermale celpatronen en stamcelherprogrammering in het wortelmeristeem onderscheidt.

Talrijke nieuwe bevindingen uit mijn vorige en huidige onderzoek zullen als een platform voor het toekomstige onderzoek dienen als een onafhankelijk hoofdonderzoeker in de afdeling Plant Biochemistry van de UGent Global Campus. Mijn langetermijn onderzoeksdoelstelling is het begrijpen van fundamenteel moleculair mechanismes bij het waarnemen en de signalisatie van stimuli die de groei en aanpassing aan stress in planten regelt, en het ontwikkelen van praktische middelen om plantenbiotechnologie te bevorderen en de productiviteit van gewassen in de landbouw te verbeteren. Mijn kortetermijnonderzoeksplannen zijn 1) de moleculaire mechanismen in microbe-associated molecular patterns (MAMP) -MAPK-signaaltransductie in planten verder op te helderen en nieuwe factoren te identificeren die verband houden met MAPK-activiteit om de immuniteit van planten te verbeteren, en 2) fundamentele mechanismen te begrijpen van plant-post-empbryonische ontwikkeling door de ontleding van het signaleringsproces voor stamcelregulatie en celtype-patronen bepaald door MPK3/6, en cytokinese door MPK4. Om deze doelen te bereiken, zal ik ten volle gebruik maken van  chemische genetica, geïntegreerd met een klassieke genetische benadering, geavanceerde technieken van genomica, celbiologie, biochemie en systeembiologie.