Initiation of root jasmonate biosynthesis

Abstract

The phytohormone jasmonoyl-L-isoleucine (JA-Ile) is a lipid-derived molecule that is widespread across higher plants. Despite the crucial roles of JA-Ile in plant environmental responses, it remains unknown what cellular signals lead to JA-Ile biosynthesis initiation in plastids, and how JA-Ile plastidial enzymes are regulated. Plastidial 13-LIPOXYGENASE (13-LOX) catalyzes one of the early steps in JA-Ile biosynthesis. To test if increasing the amount of 13-LOX enzymes leads to increased JA-Ile signaling under basal conditions, I developed overexpression (OE) lines and found that LOX3 and LOX4 are regulated transcriptionally, while LOX2 and LOX6 are regulated at the protein level. LOX6 is crucial for root JA-Ile signaling and localized in root xylem-associated procambial cells, indicating that these are the sites of initial hormone biosynthesis. Promoter swaps revealed LOX3 and LOX4 can mimic LOX6's function, emphasizing the importance of enzyme localization and regulation. Deleting or replacing the PLAT domain of LOX6 affected its activity. This research sheds light on the regulation of 13-LOX enzymes and their potential applications in enhancing plant defense responses.

Das Pflanzenhormon Jasmonoyl-L-Isoleucin (JA-Ile) ist ein lipiderived Molekül, das in höheren Pflanzen weit verbreitet ist. Trotz der entscheidenden Rolle von JA-Ile bei pflanzlichen Umweltreaktionen ist immer noch unbekannt, welche zellulären Signale zur Initiation der JA-Ile-Biosynthese in Plastiden führen und wie die JA-Ile-Plastidenenzyme reguliert werden. Die plastidiale 13-LIPOXYGENASE (13-LOX) katalysiert einen der frühen Schritte in der JA-Ile-Biosynthese. Um zu testen, ob eine Erhöhung der Menge an 13-LOX-Enzymen unter Basiskonditionen zu einer verstärkten JA-Ile-Signalisierung führt, wurden Überexpressionslinien (OE-Linien) entwickelt, und es wurde festgestellt, dass LOX3 und LOX4 auf transkriptioneller Ebene reguliert werden, während LOX2 und LOX6 auf Proteinebene reguliert werden. LOX6 ist entscheidend für die JA-Ile-Signalisierung in den Wurzeln und lokalisiert sich in mit der Wurzel-Xylem-assoziierten procambialen Zellen, was darauf hinweist, dass dies die Orte der anfänglichen Hormonbiosynthese sind. Promoterswap-Experimente zeigten, dass LOX3 und LOX4 die Funktion von LOX6 nachahmen können, was die Bedeutung der Enzymlokalisierung und -regulation unterstreicht. Die Deletion oder der Ersatz der PLAT-Domäne von LOX6 beeinflusste dessen Aktivität. Diese Forschung wirft Licht auf die Regulation der 13-LOX-Enzyme und deren potenzielle Anwendungen zur Verbesserung pflanzlicher Abwehrreaktionen.