Published May 7, 2018 | Version v1
Publication Open

Diurnal down-regulation of ethylene biosynthesis mediates biomass heterosis

Creators

  • 1. The University of Texas at Austin
  • 2. Nanjing Agricultural University
  • 3. Peking University
  • 4. Center for Life Sciences

Description

Heterosis is widely applied in agriculture; however, the underlying molecular mechanisms for superior performance are not well understood. Ethylene biosynthesis and signaling genes are shown to be down-regulated in Arabidopsis interspecific hybrids. Ethylene is a plant hormone that promotes fruit ripening and maturation but inhibits hypocotyl elongation. Here we report that application of exogenous ethylene could eliminate biomass vigor in Arabidopsis thaliana F1 hybrids, suggesting a negative role of ethylene in heterosis. Ethylene biosynthesis is mediated by the rate-limiting enzyme, 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase (ACS). Down-regulation of ACS genes led to the decrease of ethylene production, which was associated with the high-vigor F1 hybrids, but not with the low-vigor ones. At the mechanistic level, expression of ACS genes was down-regulated diurnally and indirectly by Circadian Clock Associated 1 (CCA1) during the day and directly by Phyotochrome-Interacting Factor 5 (PIF5) at night. Consistent with the negative role of ethylene in plant growth, biomass vigor was higher in the acs mutants than in wild-type plants, while increasing endogenous ethylene production in the hybridizing parents reduced growth vigor in the hybrids. Thus, integrating circadian rhythms and light signaling into ethylene production is another regulatory module of complex biological networks, leading to biomass heterosis in plants.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتم تطبيق التغاير على نطاق واسع في الزراعة ؛ ومع ذلك، فإن الآليات الجزيئية الأساسية للأداء المتفوق غير مفهومة جيدًا. يظهر أن جينات التخليق الحيوي للإيثيلين وإرسال الإشارات يتم تقليلها في هجائن أرابيدوبسيس بين الأنواع. الإيثيلين هو هرمون نباتي يعزز نضج الفاكهة ونضجها ولكنه يمنع استطالة تحت الكوتيل. نذكر هنا أن استخدام الإيثيلين الخارجي يمكن أن يقضي على نشاط الكتلة الحيوية في هجائن أرابيدوبسيس ثاليانا F1، مما يشير إلى دور سلبي للإيثيلين في التغاير. يتم التوسط في التخليق الحيوي للإيثيلين عن طريق الإنزيم المحدد للمعدل، سينثاز 1 -أمينو سيكلوبروبان-1 -كربوكسيلات (ACS). أدى انخفاض تنظيم جينات ACS إلى انخفاض إنتاج الإيثيلين، والذي كان مرتبطًا بهجائن F1 عالية النشاط، ولكن ليس مع الهجينة منخفضة النشاط. على المستوى الميكانيكي، تم تنظيم التعبير عن جينات ACS بشكل يومي وغير مباشر من قبل الساعة البيولوجية المرتبطة 1 (CCA1) خلال النهار ومباشرة من قبل العامل المتفاعل مع Phyotochrome 5 (PIF5) في الليل. تماشيًا مع الدور السلبي للإيثيلين في نمو النبات، كانت قوة الكتلة الحيوية أعلى في طفرات ACS منها في النباتات البرية، في حين أن زيادة إنتاج الإيثيلين الداخلي في الآباء التهجين قللت من قوة النمو في الهجينة. وبالتالي، فإن دمج إيقاعات الساعة البيولوجية والإشارات الضوئية في إنتاج الإيثيلين هو وحدة تنظيمية أخرى للشبكات البيولوجية المعقدة، مما يؤدي إلى تغاير الكتلة الحيوية في النباتات.

Translated Description (French)

L'hétérosis est largement appliquée en agriculture ; cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents pour des performances supérieures ne sont pas bien compris. Il a été démontré que les gènes de biosynthèse et de signalisation de l'éthylène sont régulés à la baisse chez les hybrides interspécifiques d'Arabidopsis. L'éthylène est une hormone végétale qui favorise la maturation et la maturation des fruits mais inhibe l'élongation de l'hypocotyle. Nous rapportons ici que l'application d'éthylène exogène pourrait éliminer la vigueur de la biomasse chez les hybrides F1 d'Arabidopsis thaliana, suggérant un rôle négatif de l'éthylène dans l'hétérosis. La biosynthèse de l'éthylène est médiée par l'enzyme limitant la vitesse, la 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase (ACS). La régulation à la baisse des gènes ACS a conduit à la diminution de la production d'éthylène, qui était associée aux hybrides F1 à haute vitalité, mais pas aux hybrides à faible vitalité. Au niveau mécanistique, l'expression des gènes ACS était régulée à la baisse diurnement et indirectement par Circadian Clock Associated 1 (CCA1) pendant la journée et directement par Phyotochrome-Interacting Factor 5 (PIF5) la nuit. Conformément au rôle négatif de l'éthylène dans la croissance des plantes, la vigueur de la biomasse était plus élevée chez les mutants acs que chez les plantes de type sauvage, tandis que l'augmentation de la production d'éthylène endogène chez les parents hybridants réduisait la vigueur de la croissance chez les hybrides. Ainsi, l'intégration des rythmes circadiens et de la signalisation lumineuse dans la production d'éthylène est un autre module de régulation des réseaux biologiques complexes, conduisant à l'hétérosis de la biomasse chez les plantes.

Translated Description (Spanish)

La heterosis se aplica ampliamente en la agricultura; sin embargo, los mecanismos moleculares subyacentes para un rendimiento superior no se conocen bien. Se muestra que la biosíntesis de etileno y los genes de señalización están regulados negativamente en híbridos interespecíficos de Arabidopsis. El etileno es una hormona vegetal que promueve la maduración y maduración de la fruta, pero inhibe el alargamiento del hipocotilo. Aquí informamos que la aplicación de etileno exógeno podría eliminar el vigor de la biomasa en los híbridos F1 de Arabidopsis thaliana, lo que sugiere un papel negativo del etileno en la heterosis. La biosíntesis de etileno está mediada por la enzima limitante de la velocidad, 1-aminociclopropano-1-carboxilato sintasa (ACS). La regulación negativa de los genes ACS condujo a la disminución de la producción de etileno, que se asoció con los híbridos F1 de alto vigor, pero no con los de bajo vigor. A nivel mecanicista, la expresión de los genes ACS fue regulada a la baja diurna e indirectamente por Circadian Clock Associated 1 (CCA1) durante el día y directamente por Phyotochrome-Interacting Factor 5 (PIF5) durante la noche. De acuerdo con el papel negativo del etileno en el crecimiento de las plantas, el vigor de la biomasa fue mayor en los mutantes acs que en las plantas de tipo salvaje, mientras que el aumento de la producción endógena de etileno en los progenitores hibridantes redujo el vigor del crecimiento en los híbridos. Por lo tanto, la integración de los ritmos circadianos y la señalización de la luz en la producción de etileno es otro módulo regulador de redes biológicas complejas, que conduce a la heterosis de la biomasa en las plantas.

Files

5606.full.pdf.pdf

Files (15.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a96ea0adf3b7c6f08783e74fe129c2ba
15.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يتوسط التنظيم اليومي للتركيب الحيوي للإيثيلين تغاير الكتلة الحيوية
Translated title (French)
La régulation négative diurne de la biosynthèse de l'éthylène induit l'hétérosis de la biomasse
Translated title (Spanish)
La regulación negativa diurna de la biosíntesis de etileno media la heterosis de la biomasa

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2803997947
DOI
10.1073/pnas.1722068115

Is supplement to
https://openalex.org/W4313560697 (Other)
https://openalex.org/W4251325446 (Other)
https://openalex.org/W2464765909 (Other)
https://openalex.org/W240627039 (Other)
https://openalex.org/W2350215126 (Other)
https://openalex.org/W2228010252 (Other)
https://openalex.org/W2074022440 (Other)
https://openalex.org/W2013912631 (Other)
https://openalex.org/W1994718764 (Other)
https://openalex.org/W1991033887 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1745830166
  • https://openalex.org/W1957895380
  • https://openalex.org/W1964301144
  • https://openalex.org/W1976387692
  • https://openalex.org/W2006847268
  • https://openalex.org/W2007897769
  • https://openalex.org/W2017470450
  • https://openalex.org/W2021367660
  • https://openalex.org/W2030489085
  • https://openalex.org/W2031166113
  • https://openalex.org/W2040528706
  • https://openalex.org/W2043215109
  • https://openalex.org/W2087388421
  • https://openalex.org/W2107625220
  • https://openalex.org/W2112351234
  • https://openalex.org/W2116122104
  • https://openalex.org/W2122560513
  • https://openalex.org/W2133097103
  • https://openalex.org/W2140949512
  • https://openalex.org/W2141746935
  • https://openalex.org/W2144237393
  • https://openalex.org/W2147577043
  • https://openalex.org/W2148648493
  • https://openalex.org/W2153574607
  • https://openalex.org/W2155574851
  • https://openalex.org/W2161512142
  • https://openalex.org/W2162939744
  • https://openalex.org/W2166930407
  • https://openalex.org/W2169978563
  • https://openalex.org/W2268081871
  • https://openalex.org/W2469546621
  • https://openalex.org/W2606936808
  • https://openalex.org/W4207026249