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A protein prevents plants from premature flowering
Une protéine empêche les plantes de fleurir précocement


Geneva, Switzerland
September 28, 2018

Researchers from UNIGE have discovered that UV-B rays, which are present in the sunlight, could influence the onset of flowering, but their action is repressed by a protein called RUP2.

 

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Flowers of Arabidopsis thaliana, the plant used as a model to study the effect of UV-B rays on the induction of flowering. (©UNIGE / Marc Heijde)
 

The induction of flowering is of major importance from an ecological and agronomic point of view. Timely and synchronous flowering is essential to optimize pollination and allow seed production and maturation under favorable environmental conditions. Environmental factors, including light in particular, regulate flowering time, the mechanisms of which have been the subject of many studies. However, these experiments were usually performed in growth chambers in the absence of UV-B, a type of radiation that is a natural component of sunlight and, for example, is responsible for sunburns in humans. A team from the University of Geneva (UNIGE) has discovered that UV-B can be a powerful inducer of flowering, but that a protein called RUP2 blocks their action to prevent early flowering. This work is published in the journal Genes & Development.

Many plants display a so-called photoperiodic flowering, which depends on changes in the length of days and, therefore, seasonal changes. Some of them will flower when the days get longer, others when the days get shorter. The perception of the length of the day by these plants is essential to control the onset of flowering in natural ecosystems and to ensure successful reproduction.

Understanding the mechanisms at work in this process is also a major challenge for horticulture and agricultural production systems in order to optimize yields. Plants are able to perceive and “analyze” light, including its intensity, color or duration. Roman Ulm, Professor at the Department of Botany and Plant Biology of the UNIGE Faculty of Science, investigates how plants integrate this information to control flowering.

UV-B radiation, a forgotten actor

The mechanisms involved in flowering have been studied in the model species Arabidopsis thaliana (thale cress), which flowers in Switzerland mainly in May, when the days get longer. “Most of the research has been carried out in growth chambers, where the artificial light does not include UV-B, even though it is an intrinsic part of sunlight. We thus included this type of radiation, since plants possess UV-B receptors”, says the scientist.

In collaboration with researchers from the universities of Lausanne, Tübingen, and the Helmholtz Zentrum München in Neuherberg (Germany), the biologists have demonstrated that UV-B rays can potentially induce flowering of Arabidopsis throughout the year. “However, their effect is blocked during short days by a protein called RUP2”, explains Adriana Arongaus, researcher in the Geneva group and first author of the study.

RUP2 is one of the hands of the annual clock

The biologists have started to understand the crucial role of RUP2 by analyzing the molecular mechanisms at work. “Regardless of the season, UV-B can stimulate the production of a flowering hormone, the FT protein, which migrates into the meristem - the tissue that ensures the plant’s growth - and reprograms it to enter the flowering phase. RUP2, in turn, indirectly inhibits the production of this hormone, and thus represses flowering”, the biologist adds. However, when the days lengthen, photoreceptors present in the leaves induce such a production of FT proteins that flowering starts despite the presence of RUP2. This changing balance over the seasons allows the implementation of a photoperiodic flowering, with RUP2 as the central actor.

Flowering induction by UV-B has been discovered in mutant plants devoid of RUP2. “We would now like to know if this role of UV-B exists and is important in other plants, and why it has been repressed by RUP2 during evolution in Arabidopsis”, notes Roman Ulm. After discovering the existence of a UV-B receptor, as well as its impact on plant growth and development, the researcher intends to identify the different functions of this receptor, which could be integrated as parameters to study ecological and agri-food systems.


Une protéine empêche les plantes de fleurir précocement

L’induction de la floraison a une importance majeure d’un point de vue écologique et agronomique. Une floraison synchronisée et se produisant à point nommé est essentielle pour optimiser la pollinisation et permettre la production et la maturation des semences dans des conditions environnementales favorables. Ce sont des facteurs environnementaux, en particulier la lumière, qui déclenchent ce processus dont les mécanismes ont fait l’objet de nombreuses études. Ces expériences ont toutefois été généralement effectuées en chambre de croissance, en l’absence d’UV-B, un type de rayons qui fait partie intégrante de la lumière du soleil et qui est notamment responsable des coups de soleil. Une équipe de l’Université de Genève (UNIGE) a découvert que les UV-B peuvent être de puissants déclencheurs de floraison, mais qu’une protéine, appelée RUP2, bloque leur action pour éviter une floraison précoce. Ces travaux sont publiés dans la revue Genes & Development.

De nombreuses plantes ont une floraison dite photopériodique, qui dépend des changements de durée des jours et donc, des saisons. Certaines d’entre-elles vont fleurir lorsque les jours s’allongent, d’autres lorsque les jours raccourcissent. La perception de la durée du jour par ces plantes est essentielle pour contrôler le déclenchement de la floraison dans les écosystèmes naturels et assurer le succès de la reproduction.

La compréhension des mécanismes à l’œuvre dans ce processus constitue également un enjeu de taille pour l’horticulture et les systèmes de production agricole, afin d’optimiser les rendements. Les plantes sont capables de percevoir et d’ «analyser» la lumière, qu’il s’agisse de son intensité, de sa couleur ou de sa durée. Roman Ulm, professeur au Département de botanique et biologie végétale de la Faculté des sciences de l’UNIGE, cherche à savoir comment les plantes intègrent ces différentes informations pour contrôler la floraison.

Le rayonnement UV-B, un acteur oublié

Les mécanismes impliqués dans la floraison ont été étudiés dans l’espèce modèle Arabidopsis thaliana (Arabette des dames), qui fleurit principalement en mai, en Suisse, lorsque les jours croissent. «La plupart des recherches sur la floraison de cette plante ont été menées dans des chambres de croissance dont le spectre de lumière artificielle ne comprend pas les UV-B, qui font pourtant partie intégrante de la lumière solaire. Nous avons donc inclus ce type de rayons, étant donné que les plantes possèdent des récepteurs aux UV-B», expose le chercheur.

En collaboration avec des chercheurs des universités de Lausanne, de Tübingen et du Helmholtz Zentrum München à Neuherberg (Allemagne), les biologistes ont démontré que les UV-B peuvent induire la floraison d’Arabidosis tout au long de l’année. «Leur action est toutefois bloquée pendant les journées courtes par une protéine appelée RUP2», explique Adriana Arongaus, chercheuse au sein du groupe genevois et première auteure de l’étude.

RUP2 est l’une des aiguilles de l’horloge annuelle

C’est en décortiquant les rouages moléculaires à l’œuvre que les biologistes ont saisi le rôle crucial de RUP2. «Indépendamment des saisons, les UV-B peuvent stimuler la production d’une hormone de floraison, la protéine FT, qui migre dans le méristème – le tissu qui assure la croissance de la plante – et le reprogramme pour entamer la phase de floraison. RUP2, pour sa part, inhibe de façon indirecte la production de cette hormone, et réprime ainsi la floraison», ajoute la biologiste. Or, lorsque les jours s’allongent, des photorécepteurs présents dans les feuilles induisent une telle production de protéine FT que la floraison s’enclenche malgré la présence de RUP2. C’est cet équilibre changeant au cours des saisons qui permet la mise en place d’une floraison photopériodique, avec RUP2 comme acteur central.

L’induction de la floraison par les UV-B a été découverte chez des plants mutants dépourvus de RUP2. «Nous aimerions maintenant savoir si ce rôle des UV-B existe et est important chez d’autres plantes, et pourquoi il a été réprimé par RUP2 au cours de l’évolution chez Arabidopsis», note Roman Ulm. Après avoir découvert l’existence d’un récepteur aux UV-B, ainsi que son impact dans la croissance et le développement de la plante, le chercheur entend mettre au jour les différentes fonctions de ce récepteur, qui pourront être intégrées dans les paramètres d’étude des systèmes écologiques et agroalimentaires.

Full bibliographic information

 
Genes & Development
Arabidopsis RUP2 represses UVR8-mediated flowering in non-inductive photoperiods

Adriana B. Arongaus1, Song Chen1, Marie Pireyre1, Nina Glöckner2, Vinicius C. Galvão3, Andreas Albert4, J. Barbro Winkler4, Christian Fankhauser3, Klaus Harter2, and Roman Ulm1,5

1 Department of Botany and Plant Biology, Section of Biology, Faculty of Sciences, University of Geneva, Geneva, Switzerland
2 Department of Plant Physiology, Center for Plant Molecular Biology (ZMBP), University of Tübingen, Tübingen, Germany
3 Center for Integrative Genomics, Faculty of Biology and Medicine, University of Lausanne, Lausanne, Switzerland
4 Research Unit Environmental Simulation, Helmholtz Zentrum München, Neuherberg, Germany
5 Institute of Genetics and Genomics of Geneva (iGE3), University of Geneva, Geneva, Switzerland 


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Website: http://www.unige.ch

Published: September 28, 2018

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