Elucidating the Role and Regulatory Networks of the putative DCAF protein WDR55 in Plant Reproductive Development

Seksuell reproduksjon i blomstrende planter adresserer prosessen som fører til frø og produksjon av frukt. Det biologiske og genetiske samspillet for å utvikle blomsten, danne gameter og som fører til dobbel befruktning er særlig sensitiv for miljøpåvirkning slik som økt temperaturer og vannmangel. Forskning med fokus på disse prosessene er derfor en nøkkestrategi for å opprettholde og forbedre matsikkerhet og avling. Reproduktiv utvikling har i tillegg blitt et veletablert modellsystem for studie av grunnleggende prosesser i planter. Slike studier har vist at selv om vår nåværende forståelse hovedsakelig er basert på forskjellige nivåer av hvordan gener er uttrykt, så virker det som om nettverkene for regulasjon på på proteinnivå er enda mer komplekse og samtidig tilsvarende viktige. WDR55 er en av proteinene som ble identifisert som nødvendig for reproduktiv utvikling og som samtidig er grunnleggende for vekst, proliferering, bilateral symmetri og hormonsignalisering. Bjerkan et al. har vist at at WDR55 er en potensiell substratreseptor i et DDB1-CUL4-basert E3 ubiquitin ligase kompleks og er derfor mulig involvert i merking av proteiner for nedbrytning. Ved å bruke WDR55 proteinet som åte har vi som mål å identifisere og studere dette proteinets molekylære nettverk i planten under reproduktive utvikling. Disse eksperimentene vil bli støttet opp under av genetiske og molekylære analyser av wdr55 mutante planter. I tillegg vil vi undersøke den evolusjonære rollen til WDR55 i eukaryoter gjennom bioinformatiske framgangsmåter, og dette vil la oss til slutt teste verdien av kunnskap generert i modellplanten Arabidopsis ved at dette translateres til matprodusenten ris. Resultatene hittil identifiserer og beskriver en svært konservert såkalt post-transkripsjonell mekanisme som, basert på både interne og eksterne signaler (slik som miljøfaktorer) kan modifisere det genetisk baserte nettverket som fører til dannelse av reproduktive organer. Vi har vist at proteinet WDR555 kan styre spesifikt uttrykk av gener i forskjellige organer i planter. Ved å sammenlikne observasjoner i forskjellige organer har vi identifisert en felles modulær struktur i disse nettverkene av genuttrykk. Sammenlikningen identifiserte også en robust modul som fungerer som en informasjonsbærer eller formidler av vekstsignaler, og setter et underliggende nettverk av gener i stand til å reagere raskt på vekslende vekstbetingelser slik som næringstilgang og temperaturendringer. Resultatene kan ha betydning i videre foredling av økonomisk viktige planter, og kan gi et agronomisk potensiale selv ved ufordelaktige vekstbetingelser. Siden den underliggende mekanismen er svært konservert i eukaryoter, er det et fremtidig potensial for interdisiplinær forskning for å undersøke denne mekanismen, både mellom planter og dyr og innen eksperimentell medisinsk forskning.

The project has -strengthened molecular plant research by enhanced competence and skills, teaching and practice on new technical methods -facilitated building a network of in house-, within the Norwegian plant network- and international collaborations -facilitated increased interdisciplinary research collaboration both nationally and internationally -due to its state-of-the-art molecular methodology, been a flagship in disseminating plant biology to the public, giving impact for public education, awareness and inspiration (In a society where molecular editing of plants is possible, increased knowledge of plant biology become more relevant) -scientific outcomes with a potential impact to create new research areas in post transcriptional regulation of developmental and physiological processes and influence currently ongoing research projects in the field of plant developmental biology but also in a broader context, by interdisciplinary approaches in medical and breeding research

This project seek to identify and elucidate the role of novel regulators in plant development. Our current knowledge is mainly focused on different levels of transcriptionally based regulation, including the various roles of chromatin and the distribution of hormone gradients. However, the action of regulatory proteins are also regulated by proteolysis, and a major route is through the UBIQUITIN-26S proteasome (UPS)-dependent pathway. More than 5% of the Arabidopsis proteome consists of components of the UPS pathway, and with growing evidence of proteolytic and nonproteolytic roles of ubiquitylation, this regulation system thus rivals the role of transcription as the foremost regulatory mechanism. The WDxR motif containing protein, WDR55 has been identified by its requirement in seed development and plant reproduction. WDR55 interacts with DDB1A and is therefore a potential substrate receptor for a DDB1-CUL4-based E3 ubiquitin ligase complex. In this project we will elucidate the biological role of WDR55 by mutant studies and in biochemical and genome-wide approaches identify targets as well as components of the complex through which WDR55 acts. Additionally, we will investigate the evolutionary role of WDR55 in eukaryotes through a bioinformatics approach, and finally, test the translational value of Arabidopsis gained knowledge into the crop model rice. We expect the project to deliver major novel insights inthe role of proteolytic or non-proteolytic regulation throughout eukaryotes.