Functional analysis of developmental transitional regulators of annual growth cycles in poplar
Authors:   , Gómez Soto Daniela 
Published: October 2024

Temperate and boreal trees, inhabiting regions characterized by distinct annual seasonal changes develop mechanisms to ensure survival in dynamic environmental conditions. These mechanisms finely tune their growth-dormancy cycles to synchronize molecular, physiological, and phenological changes with the photoperiod and temperature of each season. Understanding the molecular basis of each annual transition is crucial because it allows trees to anticipate and respond to these variations effectively. In this study, we shed light on the function of three transitional regulators playing roles in different tree annual stages.

First, we investigated roles of FLOWERING LOCUS T2 (FT2) in vegetative growth using loss of function lines. We found that the presence of FT2 is essential to promote shoot apex development and control internode elongation under growth-promoting conditions. Moreover, we described that both functions are connected to gibberellins (GA), with FT2 acting upstream of GA metabolism in shoots and leaves. FT2 promotes the 13-hydroxylation pathway and GA1 levels to sustain shoot growth, and in leaves, it modulates GA pathway, limiting GA1 production and restricting internode elongation.

Second, we explore the role of MADS12, a SOC1-like related gene belonging to the MADS-box family. Gene expression analysis revealed that MADS12 activation depends on the fulfilment of chilling requirement. Phenological studies using MADS12 overexpressing lines showed that MADS12 promote ecodormancy release and growth resumption. We also found that MADS12 downregulates the GIBBERELIN 2 OXIDASE 4 (GA2ox4), a GA catabolic gene. MADS12 and GA2ox4 showed antagonistic seasonal expression patterns during bud dormancy release and may act connected within the temporal events that lead poplar bud break.

Finally, we investigated the role two TEMPRANILLO-like genes, TEML1 and TEML2, in the annual cycles of trees. We found that both genes are regulated by photoperiod, temperature, and the circadian clock, and they play a role in endodormancy, particularly in response to low temperatures. Transcriptomic and gene expression analysis of the overexpressing lines of both TEMLs and the circadian clock mutants lines led us to propose a working model for winter, in which the TEML genes act as central regulators of endodormancy.

RESUMEN

Los árboles de áreas templadas y boreales que habitan regiones caracterizadas por cambios estacionales anuales desarrollan mecanismos para garantizar su supervivencia en condiciones ambientales dinámicas. Estos mecanismos ajustan finamente sus ciclos de crecimiento-dormancia para sincronizar cambios moleculares, fisiológicos y fenológicos con el fotoperiodo y la temperatura de cada estación. Comprender la base molecular de cada transición anual es crucial porque permite a los árboles anticipar y responder eficazmente a estas variaciones. En este estudio, arrojamos luz sobre la función de tres reguladores transicionales que desempeñan roles en diferentes momentos del ciclo.

En primer lugar, investigamos las funciones del gen FLOWERING LOCUS T (FT2) en el crecimiento vegetativo utilizando líneas mutantes. Descubrimos que la presencia de FT2 es esencial para promover el desarrollo de la parte aérea de las plantas y controlar la elongación de los internodos bajo condiciones promotoras de crecimiento. Además, describimos que ambas funciones están conectadas con el metabolismo de las giberelinas (GA). FT2 actúa promoviendo el metabolismo de las GA en la zona apical a través de la vía de la 13-hidroxilación y modula los niveles de GA1 para sostener el crecimiento de la parte apical. En las hojas, también regula la ruta de las GAs, limitando la producción de GA1 y restringiendo la elongación de los internodos.

En segundo lugar, exploramos el papel de MADS12, un gen tipo SOC1 que pertenece a la familia de MADS-box. El análisis de expresión génica reveló que la activación de MADS12 depende del cumplimiento del requerimiento de las horas de frío. Los estudios fenológicos utilizando líneas de sobreexpresión de MADS12 mostraron que MADS12 promueve la liberación de la ecodormancia y la reanudación del crecimiento. También encontramos que MADS12 reprime a GIBERELIN 2 OXIDASE 4 (GA2ox4), un gen catabólico del metabolismo de GAs. MADS12 y GA2ox4 mostraron patrones de expresión estacionales antagonistas durante la liberación de la dormancia y pueden actuar conectados dentro de los eventos temporales que conducen a la brotación del chopo.

Finalmente, investigamos el papel de dos genes próximos a TEMPRANILLO, TEML1 y TEML2, en los ciclos anuales de los árboles. Descubrimos que ambos genes están regulados por el fotoperiodo, la temperatura y el reloj circadiano y desempeñan un papel en la endodormancia, particularmente en respuesta a bajas temperaturas. El análisis transcriptómico y de expresión génica de las líneas sobreexpresoras de ambos TEMLs y las mutantes del reloj circadiano nos llevó a proponer un modelo de trabajo para el invierno, en el que los genes TEML, actúan como reguladores centrales de la endodormancia.