Circadian Stress Regimes Affect the Circadian Clock and Cause Jasmonic Acid-Dependent Cell Death in Cytokinin-Deficient Arabidopsis Plants

Resumo

O relógio circadiano ajuda as plantas a medir a duração do dia e a se adaptar às mudanças no ritmo dia‑noite. Descobrimos que mudanças no regime claro‑escuro desencadearam respostas de estresse, levando eventualmente à morte celular, em folhas de plantas de Arabidopsis thaliana com níveis reduzidos de citocinina ou sinalização de citocinina defeituosa. O tratamento prolongado com luz seguido por um período de escuro induziu genes marcadores de estresse e morte celular, ao mesmo tempo que reduziu a eficiência fotossintética. Essa resposta, chamada de estresse circadiano, também é caracterizada por expressão alterada de genes do relógio e de genes de saída do relógio. Em particular, esse tratamento reduziu fortemente a expressão de CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED1 (CCA1) e LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY). Intrigantemente, mudanças similares na expressão gênica e morte celular foram observadas em mutantes de relógio que carecem de função adequada de CCA1 e LHY. O estresse circadiano causou fortes mudanças na expressão de genes relacionados a espécies reativas de oxigênio e ácido jasmônico (JA). A ativação da via do JA, envolvendo o acúmulo de metabólitos de JA, foi crucial para a indução da morte celular, uma vez que o fenótipo de morte celular foi fortemente reduzido no fundo mutante jasmonate resistant1. Propomos que a adaptação a regimes de estresse circadiano requer um status normal de citocinina que, atuando principalmente através do receptor AHK3, sustenta a função do relógio circadiano para proteger contra os efeitos prejudiciais do estresse circadiano.

Abstract

The circadian clock helps plants measure daylength and adapt to changes in the day-night rhythm. We found that changes in the light-dark regime triggered stress responses, eventually leading to cell death, in leaves of Arabidopsis thaliana plants with reduced cytokinin levels or defective cytokinin signaling. Prolonged light treatment followed by a dark period induced stress and cell death marker genes while reducing photosynthetic efficiency. This response, called circadian stress, is also characterized by altered expression of clock and clock output genes. In particular, this treatment strongly reduced the expression of CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED1 (CCA1) and LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY). Intriguingly, similar changes in gene expression and cell death were observed in clock mutants lacking proper CCA1 and LHY function. Circadian stress caused strong changes in reactive oxygen species- and jasmonic acid (JA)-related gene expression. The activation of the JA pathway, involving the accumulation of JA metabolites, was crucial for the induction of cell death, since the cell death phenotype was strongly reduced in the jasmonate resistant1 mutant background. We propose that adaptation to circadian stress regimes requires a normal cytokinin status which, acting primarily through the AHK3 receptor, supports circadian clock function to guard against the detrimental effects of circadian stress.