title: Studies of macroautophagy in Arabidopsis thaliana
Creators: name: Zhao, Jierui
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Die Autophagie ist ein evolutionär konservierter Abbauweg, der für die zelluläre Homöostase, die Anpassung an Stress und die Entwicklung von Eukaryonten wesentlich ist. Während der Kern der Autophagie-Maschinerie gut charakterisiert ist, sind Schlüsselaspekte der pflanzlichen Autophagie - insbesondere die Reifung von Autophagosomen und die zelltypspezifische Regulierung - nach wie vor schlecht verstanden. In dieser Arbeit werden diese Lücken durch zwei miteinander verbundene Projekte zur Untersuchung der selektiven Autophagie in Arabidopsis thaliana geschlossen. Das erste Projekt identifiziert CELL DEATH RELATED ENDOSOMAL FYVE/SYLF PROTEIN 1 (CFS1) als einen neuartigen pflanzenspezifischen Autophagie-Adaptor. Mithilfe von Affinitätsreinigungs-Massenspektrometrie (AP-MS) entdeckten wir, dass CFS1 über ein ATG8-interagierendes Motiv (AIM) mit ATG8 interagiert und an Autophagosomenmembranen lokalisiert ist. Funktionelle Studien zeigten, dass CFS1 nicht an der Autophagosomen-Biogenese beteiligt ist, sondern stattdessen den Transport von Autophagosomen zu Vakuolen vermittelt, indem es eine Brücke zwischen Autophagosomen und der ESCRT-I-Komponente VPS23A schlägt. Die Unterbrechung der Interaktion zwischen CFS1 und VPS23A führte zu einer Beeinträchtigung des autophagischen Flusses und damit zu einem gestörten Abbau der Ladung und einer erhöhten Stressempfindlichkeit. Ultrastrukturelle und biochemische Analysen zeigten, dass CFS1 die Bildung von Amphisomen fördert - hybride Organellen, die aus der Fusion von Autophagosom und multivesikulärem Körper (MVB) entstehen - und damit einen bisher unbekannten Reifungsschritt in der pflanzlichen Autophagie aufzeigt. Das zweite Projekt untersucht die zelltypspezifische Autophagie in der Wurzelepidermis, wo Trichoblasten (Wurzelhaar bildende Zellen) einen höheren Autophagiefluss aufweisen als benachbarte Atrichoblasten (Nicht-Haar-Zellen). Genetische Untersuchungen zeigten, dass diese Ungleichheit eher auf eine Entwicklungsprogrammierung als auf morphologische Unterschiede zurückzuführen ist, da Mutanten, die die Identität von Trichoblasten und Atrichoblasten stören, die Autophagie-Asymmetrie aufheben. Gewebespezifische CRISPR-Knockout- und Komplementationsexperimente zeigten, dass die Trichoblasten-Autophagie für die Salzstresstoleranz wesentlich ist und eine bevorzugte vakuoläre Natriumbindung ermöglicht. Die Unterbrechung der Autophagie ausschließlich in Trichoblasten beeinträchtigte die Ionenkompartimentierung und erhöhte die Salzempfindlichkeit, während die Wiederherstellung der Autophagie diese Defekte wieder beheben konnte. Diese Ergebnisse zeigen, wie Entwicklungswege die Autophagie räumlich regulieren, um die Stressresilienz zu optimieren. Insgesamt trägt diese Arbeit zu unserem Verständnis der pflanzlichen Autophagie bei, indem sie (1) die Rolle von CFS1 bei der Bildung von Amphisomen aufklärt und (2) zeigt, wie zelltypspezifische Autophagie zur Anpassung an Salzstress beiträgt. Diese Erkenntnisse vertiefen nicht nur das grundlegende Wissen über die Regulierung der Autophagie, sondern bieten auch potenzielle Strategien zur Verbesserung der Stresstoleranz von Pflanzen durch gezielte Modulation der Autophagie.
description: Autophagy is an evolutionarily conserved degradation pathway essential for cellular homeostasis, stress adaptation, and development in eukaryotes. While the core autophagy machinery is well-characterized, key aspects of plant autophagy–particularly autophagosome maturation and cell-type-specific regulation—remain poorly understood. This thesis addresses these gaps through two interconnected projects investigating selective autophagy in Arabidopsis thaliana. The first project identifies CELL DEATH RELATED ENDOSOMAL FYVE/SYLF PROTEIN 1 (CFS1) as a novel plant-specific autophagy adaptor. Using affinity purification-mass spectrometry (AP-MS), we discovered that CFS1 interacts with ATG8 via an ATG8-interacting motif (AIM) and localizes to autophagosome membranes. Functional studies revealed that CFS1 does not participate in autophagosome biogenesis but instead mediates autophagosome-vacuole delivery by bridging autophagosomes with the ESCRT-I component VPS23A. Disrupting the CFS1-VPS23A interaction impaired autophagic flux, leading to defective cargo degradation and stress sensitivity. Ultrastructural and biochemical analyses demonstrated that CFS1 promotes the formation of amphisomes–hybrid organelles resulting from autophagosome-multivesicular body (MVB) fusion–revealing a previously unknown maturation step in plant autophagy. The second project explores cell-type-specific autophagy in the root epidermis, where trichoblasts (root hair-forming cells) exhibit higher autophagic flux than adjacent atrichoblasts (non-hair cells). Genetic dissection showed this disparity arises from developmental programming rather than morphological differences, as mutants disrupting trichoblast-atrichoblast identity abolished the autophagy asymmetry. Tissue-specific CRISPR knockout and complementation experiments demonstrated that trichoblast autophagy is essential for salt stress tolerance, enabling preferential vacuolar sodium sequestration. Disrupting autophagy solely in trichoblasts impaired ion compartmentalization and increased salt sensitivity, while restoring it rescued these defects. These findings establish how developmental pathways spatially regulate autophagy to optimize stress resilience. Collectively, this thesis advances our understanding of plant autophagy by (1) elucidating CFS1’s role in amphisome formation and (2) revealing how cell-type-specific autophagy contributes to salt stress adaptation. These findings not only deepen fundamental knowledge of autophagy regulation but also offer potential strategies for improving crop stress tolerance through targeted autophagy modulation.