Date of Award
11-2023
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Horticulture Science
Department
Integrative Agriculture
First Advisor
Shyam Sreedhara Kurup
Second Advisor
Dr. Ling Li
Abstract
Drought and salinity pose significant environmental challenges that impact the growth and productivity of plants. Sesuvium verrucosum is a succulent halophyte species of the Aizoaceae family. Halophytes have evolved specialized mechanisms to thrive in saline environments. Studying these adaptations can provide valuable insights into how plants cope with stress, thereby improving the resilience of crops and other plant species to combat salinity stress. In plants, the Ubiquitin-Proteasome System (UPS) is crucial in maintaining cellular homeostasis and regulating protein levels, particularly in stress responses. E3 ubiquitin ligases play a major role in identifying targets and transferring ubiquitin to those targets. Among them, RING-type E3 ligases are widely studied and essential in plants responses to environmental stresses. In the present study, identification and classification of various types of E3 ligases were performed via transcriptome profiling of S. verrucosum under salinity stress. The transcriptome study identified 433 E3 ligases expressed under salt stress in the roots. Single RING-type E3 ligases are the most abundant E3 ligases in S. verrucosum. Among the 13 differentially upregulated RING-type E3 ligases, the functional roles of two novel E3 ligases, SvRNF170 and SvRNF185, were characterized. These E3 ligases were expressed in all tissues of S. verrucosum and were induced under salt stress. These two E3 ligases are evolutionarily conserved in plants as their orthologs are present in numerous plant families; however, no functional study of these ligases has been reported. In addition, these two novel RING-type E3 ligases showed similarities to their human counterparts, which are involved in Endoplasmic Reticulum-Associated Degradation (ERAD). Our ubiquitination experiments confirm that both SvRNF170 and SvRNF185 possess ligase activity, underscoring the importance of their RING domain. Subcellular localization studies revealed that both proteins are associated with the Endoplasmic Reticulum (ER) membrane. Moreover, when overexpressed in Arabidopsis thaliana, SvRNF170 and SvRNF185 enhanced tolerance to salt, osmotic, and ER stresses. The expression analysis of several ER stress-responsive genes in SvRNF185 and SvRNF170 overexpression lines reveals the possible involvement of these E3 ligases in the ERAD system. The interaction of SvRNF185 and SvRNF170 with UBC32, an ER localized E2 enzyme signifies the role of these two E3 ligase in ERAD system. Mass Spectrometry (MS) analysis of the co-immunoprecipitation of interacting proteins revealed the association of SvRNF185 proteins with numerous ER stress-responsive proteins. Taken together, these data indicate the potential of these E3 ligases in ERAD responses. This research marks the first functional exploration of these evolutionarily conserved E3 ligases and advances our understanding of the regulatory mechanisms during stressed conditions.
Arabic Abstract
التحليل الوظيفي لإنزيم جديد من نوع (RING-Type E3 Ligase) المكتشف في نبات صباح الخير
تشكل ظروف الجفاف والملوحة تحدياً بيئياً كبيراً يؤثر على نمو النباتات وإنتاجيتها. صباح الخير - Sesuvium verrucosum هو نوع من النباتات الملحية العصارية من العائلة الديمومية Aizoaceae. طورت النباتات الملحية آليات متخصصة لتزدهر في البيئات المالحة. يمكن أن توفر دراسة هذه التكيفات منظوراً قيماً حول كيفية تعامل النباتات مع الإجهاد، وبالتالي تحسين مرونة المحاصيل والأنواع النباتية الأخرى المقاومة الملوحة. في النباتات، يعد نظام يوبيكويتين – بروتيزوم (UPS) بالغ الأهمية في الحفاظ على التوازن الخلوي وتنظيم مستويات البروتين، خاصةً في استجابات الإجهاد. تلعب الانزيمات الرابطة لليوبيكويتين ubiquitin E3 ligases دوراً رئيسياً في تحديد الأهداف ونقل اليوبيكويتين إلى تلك الأهداف. من بينها، الانزيمات الرابطة من نوع RING - -RING type E3 ligases التي تمت دراستها على نطاق واسع لأهميتها في استجابات النباتات للضغوط البيئية. في هذه الدراسة، تم تحديد وتصنيف أنواع مختلفة من الانزيمات الرابطة - E3 ligases عن طريق دراسة التعبيرات الجينية لنبات S. verrucosum تحت إجهاد الملوحة حددت دراسة التعبيرات الجينية 433 من الانزيمات الرابطة تم التعبير عنها تحت ضغط الملح في الجذور. تعد الانزيمات الرابطة الأحادية من نوع RING من أكثر الانزيمات الرابطة وفرة في S. verrucosum من بين 13 انزيم رابط من نوع RING تم التعبير عنه، تمت دراسة الأدوار الوظيفية لاثنين من الانزيمات الرابطة الجديدة، SvRNF170 و SvRNF185. تم التعبير عن هذه الانزيمات الرابطة في جميع أنسجة S. verrucosum تحت ضغط الملح. يتم حفظ هذين الانزيمين الرابطين تطورياً في النباتات حيث توجد جينات مشابهه لهما في العديد من العائلات النباتية. ومع ذلك، لم تتم دراستهما وظيفياً. بالإضافة إلى ذلك، أظهر هذان الانزيمان الرابطان من نوع RING تشابهاً مع نظيرهما البشري، الذي يلعب دوراً في التحلل المرتبط بالشبكة الإندوبلازمية (ERAD). تؤكد تجاربنا أن كلا من SvRNF170 و SvRNF185 يمتلكان نشاط رابط، مما يؤكد أهمية نطاق RING الخاص بهما. أظهرت دراسات الموقع الخلوي أن كلا الانزيمين مرتبطان بغشاء الشبكة الإندوبلازمية (ER). علاوة على ذلك، عند زيادة التعبير الجيني لأنزيم SvRNF170 و SvRNF185 في نبات رشاد أذن الفأر، زادت مقاومة ضغط الملوحة، الضغط الاسموزي و الإجهاد المرتبط بالشبكة الإندوبلازمية تظهر دراسات تحليل التعبير الجيني للعديد من الجينات المرتبطة بإجهاد الشبكة الإندوبلازمية في نبات رشاد أذن الفأر المعبر لجين SvRNF170 و SvRNF185 عن احتمال مشاركة هذين الانزيمين الرابطين في نظام ERAD كشف تحليل قياس الطيف الكتلي للترسيب المناعي المشترك للبروتينات المتفاعلة عن ارتباط بروتينات SvRNF185 بالعديد من البروتينات المستجيبة لإجهاد الشبكة الإندوبلازمية. تشير هذه البيانات مجتمعة إلى احتمالية مشاركة هذه الانزيمات الرابطة في استجابات ERAD. يمثل هذا البحث أول استكشاف وظيفي لهذه الانزيمات الرابطة المحفوظة تطورياً ويعزز فهمنا للآليات التنظيمية أثناء ظروف الإجهاد البيئي.
Recommended Citation
Purayil, Fayas Thayale, "IDENTIFICATION AND FUNCTIONAL CHARACTERIZATION OF TWO NOVEL RING-TYPE E3 LIGASES FROM SESUVIUM VERRUCOSUM" (2023). Dissertations. 300.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/300
