Systems analysis of peptide-mediated cell-cell communication in the plant root by in situ sequencing

Cellene i multicellulære organismer kan kommunisere med hverandre ved at små peptider eksporteres fra en celle og deretter binder seg til reseptorer på overflaten av nærliggende celler, og aktiverer disse og dermed endrer uttrykket av gener. Dette prosjektet studerer hvordan peptid-basert celle-til-celle kommunikasjon regulerer rotvekst og rotarkitektur under ulike betingelser. Modellplanten Arabidopsis thaliana (vårskrinneblom) er blitt benyttet for identifisere gener som koder for peptid-reseptorpar virksomme i røtter. Deretter har vi, ved hjelp av genetiske, biokjemiske og bioinformatiske metoder brukt disse for å identifisere og beskrive kommunikasjonsveier mellom cellene. Rotkappen som dekker spissen av rota der stamcellene sitter og dessuten kan sense miljøforhold i omgivelsene, kastes av med jevne mellomrom. Peptidet IDA-LIKE1 som er uttrykt i cellene som kastes, signaliserer via reseptoren HSL2 og sørger for at nye cellelag produseres i takt med at kastingen. Dermed opprettholdes en homeostatisk balanse der at tap av rotkappen kompenseres ved at et nytt cellelag blir lagt i rotspissen. Resultatet av denne forskningen er publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Nature Plants (Shi et al., 2018). Vi studerer nå hvorvidt det er en sammenheng mellom stresstoleranse og frekvensen av felling av rotkappen.

-

This project aims at studying and describing how peptide mediated cell-cell communication regulate root growth and root system architecture under normal and abiotic stress conditions and thereby contribute knowledge to design interventions to alleviate the adverse effect of abiotic stress on plant development and growth. We propose a systems biology approach using the model plant Arabidopsis thaliana to achieve this task and identify two main goals. First, we aim at defining a minimal set of genes driving peptide-mediated cell-cell communication in the growing root. Second, we will develop integrated experimental and computational technology to perform a targeted analysis of these components and describe their cell-cell communication induced relationships. To achieve the first goal, we will use conventional RNA sequencing approaches to comprehensively map out putative peptide hormones expressed in the Arabidopsis root tip, carry out a phenotypic perturbation screen to map peptides with paracrine activity and perform transcriptomic profiling to identify intercellular downstream signaling targets. Achievement of the second goal requires the development of an enabling technology for detecting and describing intercellular events on the molecular level with single cell resolution in the Arabidopsis root organ. For this we will develop a microfluidic chip platform that will enable the acquisition of spatially resolved single cell transcription profiles of up to thirty targets jointly by in situ RNA sequencing in root tips. In accordance with the call focus, this project investigates regulatory mechanisms of inter- and intracelluar processes. We use conventional genomics techniques to map out the relevant molecular system inventory, as well as by new developed, integrated experimental and computational technology to describe the communication induced relationships among the system components to identify the key responses at the level of peptidemediated cell communication.