Plants use light as a source of information to optimize their growth by driving numerous adaptative responses and developmental transitions. The determination of hypocotyl growth orientation results from the integration of phytochrome-mediated inhibition of gravitropism and phototropin-mediated phototropism. Phototropism arises from a phototropins (phot) activation gradient across the stem in response to unilateral blue light, which leads to an increase in growth on the shaded side of the stem resulting from asymmetric auxin accumulation.
phot form a protein complex at the plasma membrane (PM) with two families of PM-associated proteins that are possibly mediating the link between asymmetric phot activation and auxin gradient: (NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 (NPH3) and ROOT PHOTOTROPISM 2
(RPT2) -like proteins) (NRL) and PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE (PKS). However, PKS molecular mechanisms in phot signaling remain unknown. Arabidopsis thaliana includes 4 PKS members, among which PKS4 and PKS1 are important for hypocotyl growth orientation, while PKS3 and PKS2 function in another phot-mediated response: leaf flattening.
Our phylogenetic and functional studies suggest that PKS4 is the protein family member appearing the earliest in evolution and whose function is conserved in monocots, while PKS3 and PKS2 have functionally diverged at different stages in evolution. PKS are intrinsically disordered proteins found in all angiosperms and characterized by six evolutionary conserved motifs (called A to F), whose functional importance was addressed in this work. Our data reveal that conserved Cys amino acids in motif C are required for PKS4 biological activity and association with the PM. Additionally, our work shows that motif D is essential for PKS4 function and identifies interactors of motif D in yeast that we are currently investigating to understand how PKS proteins regulate auxin asymmetric distribution to control plant organ growth orientation in response to light.
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La lumière est une source d’informations pour les plantes, qui leur permet d’optimiser leur croissance en induisant de nombreuses réponses adaptatives et transitions développementales. Ainsi, l’orientation de la croissance de l’hypocotyle est déterminée par l’intégration de deux processus dépendants de la lumière: l’inhibition du gravitropisme médiée par les phytochromes d’une part, et le phototropisme médié par les phototropines d’autre part. Le phototropisme résulte d’un gradient d’activation des phototropines de part et d’autre de la tige en réponse à un signal lumineux bleu unilatéral. Cela entraîne une croissance accrue des cellules du côté non éclairé de la tige, conséquence d’une accumulation asymétrique d’auxine.
Les phototropines forment un complexe protéique à la membrane plasmique avec deux autres familles de protéines associées à la membrane, qui pourraient faire le lien entre l’activation asymétrique des phototropines et le gradient d’auxine : les protéines NRL (NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 (NPH3) and ROOT PHOTOTROPISM 2 (RPT2) -like proteins) et les PKS (PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE). Cependant, la fonction moléculaire des PKS dans la signalisation via les phototropines est encore inconnue. Arabidopsis thaliana possède 4 protéines PKS, parmi lesquelles PKS4 et PKS1 sont importantes pour l’orientation de la croissance de l’hypocotyle, alors que PKS3 et PKS2 jouent un rôle dans la croissance plane des feuilles, une autre réponse développementale dépendante des phototropines.
Nos analyses phylogénétiques et fonctionnelles suggèrent que PKS4 est le membre de la famille PKS apparu le plus tôt au cours de l’évolution et que sa fonction est conservée chez les Monocotylédones, alors que PKS3 et PKS2 ont divergé fonctionnellement à plusieurs étapes au cours de l’évolution. Les PKS sont des protéines « intrinsèquement désordonnées » retrouvées chez
tous les Angiospermes et caractérisées par six motifs conservés (notés A à F), dont l’importance fonctionnelle a été analysée dans ce travail. Nos données révèlent que les acides aminés cystéines conservées dans le motif C sont nécessaires à l’activité biologique de PKS4 ainsi qu’à son association à la membrane plasmique. Par ailleurs, notre travail montre que le motif D est essentiel à la fonction de PKS4. Nous avons mis en évidence des partenaires protéiques du motif D en levure qui sont actuellement en cours d’étude afin de comprendre comment les protéines PKS régulent la distribution asymétrique d’auxine pour contrôler l’orientation de la croissance en réponse à la lumière.