Mecanismos reguladores del proceso de aclimatación a las temperaturas bajas en arabidopsis mediados por RNAS no codificantes largos

Abstract

[EN]Low temperature has major effects on plant development, survival, and geographical dis-tribution, limiting crop yield. In temperate regions, many plant species have evolved an adaptive response, termed cold acclimation, whereby their freezing tolerance is increase after being exposed to low non-freezing temperatures, in the range of 0 to 10°C, for a few days. Cold acclimation is a very complex process involving important physiological and biochemical changes, most of them being controlled by low temperatures trough changes in gene expression. Understanding the molecular mechanisms underpinning these changes is important from both fundamental and applied points of view. Long non-coding RNAs (lncRNAs), defined as RNA molecules longer than 200 base pairs in length without significant coding potential, have recently emerged as key regula-tors of eukaryotic gene expression. In plants, multiple transcriptomic analysis have identi-fied thousands of lncRNAs but the functional role of most of them remains to be described. Preliminary results in our lab had identified four lncRNAs in Arabidopsis, named REGU-LATED IN COLD ACCLIMATION (RICA) 1-4, which expression was regulated by low temperature. We hypothesized that they might play a role in the cold acclimation process. To test this hypothesis, we proposed two goals: (i) To molecularly characterize RICA1-4 and (ii) to functionally characterize RICA1-4 in cold response. Our data revealed that, in fact, the four lncRNAs identified operate in Arabidopsis tolerance to low temperatures through different ways. RICA1 is a positive regulator of cold acclimation through a novel mechanism that is independent of the most relevant cold signaling pathways described to date. In contrast, RICA2 negatively regulates Arabidopsis constitutive freezing tolerance by repressing part of the NPR1-dependent signaling pathway. RICA3 affects cold accli-mation by silencing CBF2 expression through a mechanism that involves the RNA-directed DNA methylation pathway (RdDM). Finally, RICA4 is also a negative regulator of the cold acclimation process by tuning down the cold induction of CBF3 by controlling the activity of Polycomb Repressive complex 2 (PRC2). All these data uncover the essential role of lncRNAs in cold acclimation response through different pathways, and highlight the tremendous complexity of the regulatory mechanisms that govern this adaptative re-sponse.

[ES]El estrés producido por las temperaturas bajas afecta de un modo importante a la supervivencia, al desarrollo y a la distribución de las plantas, y limita el rendimiento de los cultivos. En las regiones templadas, muchas especies han desarrollado una respuesta adaptativa, denominada proceso de aclimatación a las temperaturas bajas, mediante el cual aumentan su tolerancia a las temperaturas de congelación después de estar expuestas durante unos días a temperaturas bajas, entre 0 y 10°C. El proceso de aclimatación es muy complejo y lleva consigo importantes cambios fisiológicos y bioquímicos, la mayor parte de ellos regulados por las temperaturas bajas mediante cambios en la expresión génica. Entender los mecanismos moleculares que median estos cambios es de interés tanto básico como aplicado. Los RNAs no codificantes largos (lncRNAs) se definen como moléculas de RNA con una longitud mayor de 200 nucleótidos que no codifican proteínas, y han emergido recientemente como elementos clave de la regulación de la expresión génica en eucariotas. En plantas, la investigación sobre lncRNAs está todavía en sus inicios y, pese a que diferentes análisis transcriptómicos han permitido identificar miles de ellos, a día de hoy se desconocen la mayoría de sus funciones en la regulación de los procesos biológicos en los que están implicados. Resultados preliminares obtenidos en nuestro laboratorio pusieron de manifiesto la existencia de cuatro lncRNAs de Arabidopsis, a los que denominamos REGULATED IN COLD ACCLIMATION (RICA) 1-4, cuyos niveles están regulados por las temperaturas bajas. En esta Tesis, nos planteamos como hipótesis que estos lncRNAs estarían implicados en la regulación de la respuesta de Arabidopsis a las temperaturas bajas. Para validar esta hipótesis nos propusimos como objetivos, (i) caracterizar molecularmente RICA1, RICA2, RICA3 y RICA4, y (ii) caracterizar funcionalmente RICA1, RICA2, RICA3 y RICA4 en la respuesta de Arabidopsis a las temperaturas bajas. Los resultados obtenidos han revelado que, efectivamente estos lncRNAs, regulan la tolerancia de Arabidopsis a las temperaturas de congelación. RICA1 regula positivamente el proceso de aclimatación a las temperaturas bajas a través de una vía independiente a las vías de señalización más relevantes descritas hasta el momento. Por otro lado, RICA2 es un regulador negativo de la tolerancia constitutiva a la congelación que actúa bloqueando la expresión de parte de la vía de señalización mediada por NPR1. RICA3 modula negativamente el proceso de aclimatación a las temperaturas bajas mediante el silenciamiento de CBF2 a través de su participación en la vía de metilación de DNA mediada por RNA (RdDM). Por último, RICA4 es un regulador negativo del proceso de aclimatación que actúa atenuando la inducción por frío de CBF3 mediante el control de la actividad del complejo represor Polycomb 2 (PRC2). Estos resultados demuestran el papel esencial y la gran versatilidad de los lncRNAs en el control de la respuesta de Arabidopsis al estrés abiótico.