German Title: Eine Erweiterung des ABA Signalweges: Die Proteinkinase AtWNK8 ist ein negativer Regulator

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Abstract

The phytohormone abscisic acid (ABA) plays a major role in plant development and plant adaptation to both biotic and abiotic stressors. Key processes regulated by ABA include dormancy, seed germination, early seedling development and stomatal closure. To coordinate these functions an extensive network of signal transducers is necessary. In recent years knowledge of the ABA signal transduction pathway in Arabidopsis has advanced rapidly and provided a core signaling module which forms the basis for early ABA signaling events. Three major protein classes are involved: ABA binding proteins of the PYR/PYL family, Protein Phosphatases 2Cs (PP2Cs) and SNF1-related protein kinase 2s (SnRK2s). Specific recognition of the hormone is mediated by PYR/PYL receptors. Once ABA is bound to the receptor, PYR/PYLs inhibit the central negative regulators, PP2Cs, thus allowing the activation of downstream SnRK2s which positively regulate ABA responses. Reversible post-translational modification as a result of the antagonistic action of protein kinases and protein phosphatases is crucial to the ABA core signaling pathway. However, except for SnRK2s information on additional protein kinases is limited. Our work provides evidence that, opposite SnRK2s, a kinase of the WNK family is a new component of the ABA signaling pathway. The Arabidopsis WNK family consists of 11 serine/threonine protein kinases exhibiting a characteristic replacement of a unique lysine residue in the catalytic domain, hence the name WNK [With No K (Lysine)]. Phenotypic analysis of wnk8 mutants, exhibiting altered postgermination growth in response to ABA, indicated that AtWNK8 could be involved in ABA signaling. Genetic as well as direct interaction studies proved that AtWNK8 and a member of the PP2C family of protein phosphatases (AtPP2CA) interact. Biochemical data suggested that AtWNK8 activity is directly regulated by AtPP2CA, and, in turn, the ABA receptor AtPYR1 is phosphorylated by AtWNK8. In summary, our data support a role for the protein kinase AtWNK8 in ABA signaling. Opposite the main positive regulators SnRK2, we propose AtWNK8 as a new negative regulator closely associated with the members of the core ABA signaling module.

Translation of abstract (German)

Das Phytohormone Abscisinsäure (ABA) spielt eine entscheidene Rolle währed der pflanzlichen Entwicklung und bei der Anpassung an biotischen und abiotischen Stress. Zu den wichtigsten Prozessen, die durch ABA reguliert werden, zählen Samenruhe (Dormanz), Keimung, frühste Keimlingsentwicklung und das Schließen der Stomata. Ein aufwändiges Zusammenspiel von Signalüberträgern ist notwendig, um die verschiedenen Aufgaben aufeinander abzustimmen. Mit der Entdeckung der Kernkomponenten, die an der frühen ABA Signaltransduktion beteiligt sind, hat die Forschung in den letzten Jahren einen entscheidenen Beitrag zum Verständnis des ABA Signalweges geleistet. Folgende Proteingruppen sind an der frühen ABA Signaltransduktion beteiligt: Mitglieder der ABA-Rezeptoren aus der PYR/PYL Familie, Proteinphosphatasen der PP2C Familie und SNF1-verwandte Proteinkinasen 2, SnRK2s. Sobald ABA an die Rezeptoren gebunden hat, blockieren diese die zentralen negativen Regulatoren, die PP2C Phosphatasen. Inhibition der Phosphatasen erlaubt dann wiederum die Aktivierung der SnRK2 Kinasen, die als positive Regulatoren der ABA Antwort beschrieben sind. Reversible post-translationale Modifikation von Proteinen durch das antagonistische Zusammenspiel von Phosphatasen und Kinasen ist ein wesentlicher Bestandteil der zentralen ABA Signaltransduktion. Mit Ausnahme der SnRK2 Kinasen sind andere Kinasen im ABA Signalweg nur wenig beschrieben. Diese Arbeit liefert deutliche Hinweise darauf, dass eine Kinase der WNK Familie eine weitere Komponente im ABA Singalweg darstellt. Die Arabidopsis WNK Familie besteht aus 11 Serin/Threonin Proteinkinasen und zeichnet sich durch ein fehlendes Lysin (K) in der katalytischen Domäne aus; WNK steht für ‘With no K (Lysine)‘. Durch die phenotypsiche Untersuchung von wnk8 Mutanten, die in ihrer frühen Keimlingsentwicklung gestört sind, erhielten wir erste Hinweise auf eine Beteiligung von AtWNK8 an der ABA Signaltransduktion. Interaktionsstudien bestätigten, dass AtWNK8 mit einem Mitglied der PP2C Phosphatasen interagiert, AtPP2CA. Biochemische Daten deuteten darauf hin, dass AtPP2CA die Aktivität von AtWNK8 direkt reguliert und dass AtWNK8 den ABA Rezeptor AtPYR1 phosphoryliert. Zusammenfassend beschreiben wir einen neuen, negativen Regulator des ABA Signalweges, die Proteinkinase AtWNK8, die eng mit den Kernkomponenten der ABA Signaltransduktion verbunden ist.