The role of HXK1 in perceiving changes in endogenous sugars in Arabidopsis

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1 Diss. ETH NO The role of HXK1 in perceiving changes in endogenous sugars in Arabidopsis A dissertation submitted to ETH ZURICH For the Degree of Doctor of Science Presented by HSIANG-CHUN LIN Master of Science Research from University of Montpellier 2, France Born the 25 th June 1982 Citizen of Taiwan Accepted on the recommendation of Prof. Samuel Christian Zeeman, examiner Prof. Enrico Martinoia, co-examiner Prof. Doris Rentsch, co-examiner Prof. Hauke Hennecke, co-examiner 2011

2 SUMMARY Sugars play multiple roles in plants. As well as primary carbon and energy metabolites, they act as signaling molecules. Different sugar signals are generated by photosynthesis and carbon metabolism in source tissue and modulate stress responses and growth in sink tissue. Sugars, such as glucose and sucrose, affect plant developmental processes ranging from embryogenesis to senescence. A mutant of Arabidopsis designated glucose insensitive 2 (gin2) that lacks Hexokinase 1 (HXK1) shows growth defects and is small compared to wildtype plants. The metabolic function of HXK1 can be uncoupled from its signaling activity, as mutant HXK1 proteins lacking catalytic activity still fulfill its signaling function. However, the role of HXK1 in plants under physiological conditions is far from clear. The diurnal cycle strongly influences many plant metabolic and physiological programs. In Arabidopsis, photo-assimilated carbon is partitioned between sugar used for growth and chloroplastic starch for transient storage. Starch accumulates throughout the day and is metabolized during the night. Starch-free mutants (stf and pgm in Landsberg and Columbia ecotypes, respectively) lacking the plastid isoform of phosphoglucomutase (PGM), accumulate severely reduced amounts of starch in all tissues, at all developmental stages. Consequently, during the day the mutants accumulate high level of soluble sugars, which are rapidly metabolized in the first half of the night. Sugar-driven changes in gene expression are greatly accentuated in these low-starch mutants. To investigate the role of HXK1-signaling upon large changes in endogenous sugar levels, the gin2 mutant was crossed with the stf mutant. With this combination of mutations, the plant is exposed to situations of sugar excess and sugar starvation within the 24-h cycle, but cannot signal via HXK1. I compared physiological and biochemical properties of these plants with the wild type and the single mutants, under diurnal conditions and when grown in constant light. In each case I also used microarrays to determine their transcriptional profiles. Specifically, I identified genes that show sugar-related changes in expression in the wild type and stf mutant, but not in gin2 or the double mutant. My results show that in leaves, HXK1 is primarily involved in the regulation of carbohydrate metabolism, biotic and abiotic stress 4

3 responses, and signaling transduction. However, unlike the situation of seedling grown in exogenous sugar, it appears not to be major regulator of photosynthetic gene expression. Using this combination of approaches has significantly improved our understanding of the role of HXK1 in the regulation of global gene expression, carbon partitioning, light utilization and development in Arabidopsis. 5

4 RESUME Les sucres jouent de nombreux rôles dans les plantes. Ils participent notamment dans le métabolisme primaire du carbone mais agissent également en tant que molécules de signalisation. Les différents sucres sont générés par la photosynthèse et le métabolisme du carbone dans les tissus de source et de moduler les réponses au stress et à la croissance dans les tissus développementaux. Les sucres comme le glucose et le saccharose affectent un large rayon de processus de développement allant de l'embryogenèse à la sénescence. Dans la plante Arabidopsis thaliana, le mutant désigné glucose insensibles 2 (gin2) qui déficient dans le gène hexokinase 1 (HXK1) montre des défauts de croissance et est petite comparé à une plante de type sauvage. La protéine HXK1 possède une fonction métabolique et une activité de signalisation qui peuvent être découplée. Ainsi, un mutant de HXK1 dépourvue de son activité catalytique supporte encore diverses fonctions de signalisation. Cependant, le rôle de HXK1 dans les plantes dans des conditions physiologiques est loin d'être clair. Dans les plantes, le cycle diurnal influence fortement de nombreux programmes métaboliques et physiologiques. La photo-assimilation du carbone est partagée entre le sucre utilisé pour la croissance et l'amidon chloroplastique pour le stockage transitoire. L'amidon est synthétisé pendant la journée et métabolisé durant la nuit afin de pourvoir les plantes en énergie. Dans l écotype Landsberg d Arabidopsis, le mutant stf (dépourvu de l'isoforme plastidiale de la phosphoglucomutase (PGM)) est déficient dans la synthèse d amidon et accumule des quantités très retreinte d'amidon dans tous les tissus à tous les stades de développement. Par conséquent, ce mutant accumule un haut niveau de sucres solubles pendant la journée qui sont ensuite rapidement métabolisés dans la première moitié de la nuit. Sucre changements induits dans l'expression génique sont fortement accentuées dans ces mutants. Afin d étudier le rôle joué par HXK1 lors de changements excessifs du niveau des sucres en l absence de production d amidon, le mutant gin2 a été croisé avec le mutant stf. En combinaison ces deux mutations, la plante est exposée à des situations d'excès de sucre et de famine de sucre pendant le cycle diurnal et, est aussi déficiente dans la signalisation des 6

5 sucres perçue par HXK1. J'ai comparé les propriétés physiologiques et biochimiques de ces plantes avec des plantes du type sauvage et les mutants simples, dans des conditions diurnal et lorsqu'elles sont cultivées sous lumière constante. Dans chaque cas j'ai aussi utilisé des analyses par microarray afin de déterminer leurs profils de transcription. Plus précisément, j'ai identifié les gènes qui montrent des changements d expression liés au sucre dans le type sauvage et mutant stf, mais pas dans les mutant gin2 ou le double mutant gin2stf. Mes résultats montrent que dans les feuilles, HXK1 semble être principalement impliquée dans la régulation du métabolisme des glucides, dans les réponses aux stress biotiques et abiotiques, et dans la transduction de signaux. Cependant, contrairement à la situation dans laquelle des semis cultivées avaient étés dans du sucre exogène, HXK1 n'est pas un régulateur majeur de l'expression des gènes photosynthétiques. En utilisant cette combinaison d'approches ont considérablement amélioré notre compréhension du rôle de la HXK1 dans la régulation de l'expression globale des gènes, le partitionnement de carbone, l utilisation de la lumière et le développement chez Arabidopsis. 7