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Abstract

Growth and body shape of complex multicellular organisms is largely determined by a functional long-distance transport of energy metabolites that fuels stem cell activity. In vascular plants, sugars are photosynthetically produced in source tissues and delivered via the phloem to sink tissues for allocation into storage organs or to sustain distinct stem cell niches, called meristems. In the root apical meristem (RAM), which drives longitudinal root growth, sugar supply is ensured by a tight interplay between proto- and metaphloem. Formation of proto- and metaphloem starts with a single stem cell whose daughter cells divide and differentiate in a controlled spatio-temporal manner. Protophloem differentiates first within the RAM to enable sugar unloading close to the stem cell niche. Impaired or delayed protophloem formation has detrimental consequences for plant growth and vitality. Understanding the regulatory mechanisms behind (proto-)phloem formation is an important hub to enhance sink strength and thereby crop yield in the near or further future. In this study I report novel key-components in phloem regulation called SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE3 (SMXL3), SMXL4 and SMXL5. Unlike most SMXL family members, SMXL3/4/5 act independently from strigolactone (SL) or karrikin (KAR) signaling as positive regulators of phloem formation. They are the first described phloem-specific genes that show promoter activity already in provascular tissues of the embryo, the first phloem stem cell in the RAM and along the whole phloem tissue in adult plants. SMXL3/4/5 promote protophloem initiation and differentiation in a dose-dependent manner. Deficiency of all three gene functions results in complete absence of phloem tissue and seedling lethality. In comparison, double mu-tants show reduced phloem-dependent transport and sugar accumulation in leaves. Moreover, SMXL3/5 play an additional and SMXL4-independent role in radial root growth by promoting procambial cell divisions. Interestingly, SMXL5 activity is sufficient to induce secondary phloem formation at the stem base, but acts redundantly with SMXL4 in suppressing radial stem thickening. This functional specialisation suggests that SMXL3/4/5 play distinct roles in molecular networks of phloem and/or (pro-)cambium formation. To integrate SMXL3/4/5 into such molecular networks, I characterized protein-protein interaction partners of SMXL5. The plant homeodomain (PHD)-finger protein OBERON 3 (OBE3) is the first interaction partner that genetically interacts with SMXL3/4/5 in protophloem formation. Previous studies reported that OBEs are important components in meristem maintenance and, potentially, chromatin remodelling. SMXL3/4/5 are nuclear localized, chap-eron-like proteins with conserved AAA ATPase and ETHYLENE-RESPONSE FACTOR Amphiphilic Repression (EAR) domain, which makes them perfect candidates to act in transcriptional regulation of downstream targets. This study and the characterization of SMXL3/4/5 and OBE3 as novel and fundamental phloem regulators enabled a deeper understanding of phloem development and sugar allocation in plants.

Translation of abstract (German)

Wachstum und Körperform multizellulärer Organismen wird größtenteils durch einen funktionierenden Langstreckentransport von Energiemetaboliten bestimmt, der Stammzellaktivität antreibt. In vaskulären Pflanzen werden Zucker photosynthetisch in Quellen (source) produziert und über das Phloem in Senken (sink) geleitet, wo sie entweder in Speicherorgane gelangen oder für die Aufrechterhaltung von Stammzellnischen, sogenannten Meristemen, genutzt werden. Im Wurzelapikalmeristem (root apical meristem, RAM), welches das Längenwachstum der Wurzeln vorantreibt, wird Zuckerversorgung durch striktes Zusammenspiel zwischen Proto- und Metaphloem aufrechterhalten. Die Ausbildung von Proto- und Metaphloem geht von einer einzelnen Stammzelle aus, deren Tochterzellen sich in einer räumlich- und zeitlich kontrollierten Weise teilen und differenzieren. Protophloem differenziert zuerst innerhalb des RAMs, um Zuckerentladung nahe der Stammzellnische zu ermöglichen. Eine beeinträchtigte oder verzögerte Protophloemausbildung hat schwerwiegende Folgen für Pflanzenwachstum und Vitalität. Es ist daher von zentraler Bedeutung die regulatorischen Mechanismen hinter Protophloementwicklung zu verstehen, um die Zuckertransportleistung in Senken zu erhöhen und somit den Ernteertrag in naher Zukunft zu steigern. In dieser Studie berichte ich von neuen Schlüsselkomponenten der Phloemregulierung, genannt SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE3 (SMXL3), SMXL4 und SMXL5. Anders als die meisten SMXL-Familienmitglieder, agieren SMXL3/4/5 unabhängig von Strigolacton- (SL) oder Karrikin (KAR)-Signalwegen als positive Regulatoren der Phloementwicklung. Sie sind die ersten beschriebenen phloemspezifischen Gene, die Promotoraktivität bereits im provaskulären Gewebe des Embryos, in der ersten Phloemstammzelle des RAMs und entlang des gesamten Phloemgewebes in adulten Pflanzen zeigen. SMXL3/4/5 agieren redundant und dosisabhängig in der zeitlich- und räumlichen Initiierung und Differenzierung von Protophloem. Ein Mangel an SMXL3/4/5-Aktivität führt zur kompletten Abwesenheit des Phloemgewebes und Tripelmutanten sind bereits im Keimlingsstadium letal. Doppelmutanten zeigen reduzierten phloemabhängigen Transport und Zuckeransammlung in Blättern. Außerdem spielen SMXL3/5 eine zusätzliche und SMXL4-unabhängige Rolle im radialen Wurzelwachstum, indem sie Zellteilungen des Prokambiums fördern. Interessanterweise ist SMXL5-Aktivität ausreichend, um sekundäre Phloemausbildung an der Stammbasis zu initiieren, aber unterdrückt gemeinsam mit SMXL4 radiales Dickenwachstum. Diese funktionale Spezialisierung deutet darauf hin, dass SMXL3/4/5 unterschiedliche Rollen in den molekularen Netzwerken der Phloem und/oder (Pro-)Kambium Entwicklung spielen. Um SMXL3/4/5 in solch ein molekulares Netzwerk zu integrieren, haben wir nach Protein-Protein-Interaktionspartnern für SMXL5 gesucht. Das plant homeodomain (PHD)-finger Protein OBERON 3 (OBE3) ist der erste bestätigte Interaktionspartner, der gemeinsam mit SMXL3/4/5 Phloemausbildung reguliert. Frühere Studien zeigten, dass OBE Proteine eine wichtige Rolle in der Aufrechterhaltung von Meristemen und möglicherweise in der Umstrukturierung von Chromatin spielen. SMXL3/4/5 sind kernlokalisierte, chaperonähnliche Proteine mit konservierter AAA ATPase und ETHYLENE-RESPONSE FACTOR Amphiphilic Repression (EAR) Domäne, was sie zu ausgezeichneten Kandidaten für eine transkriptionelle Regulierung von nachgeschalteten Zielgenen macht. Diese Studie und die Charakterisierung von SMXL3/4/5 und OBE3 als neuartige und grundlegende Phloemregulatoren ermöglichte tieferere Einblicke in die Phloementwicklung und Zuckerverteilung der Pflanzen.