Alternative Splicing Diversifies the Transcriptome during Early Photomorphogenesis and Responds to Metabolic Signals in Arabidopsis

Abstract

Light is an important source of both information and energy for plants. Diurnal rhythms and seasonal changes, as well as surrounding competition are detected by the available light quality and quantity. Sensing changing light conditions to adjust metabolism and control development is cruicial for survival. Here, we analyse transcriptome-wide changes in gene expression and alternative splicing (AS) in dark-grown (etiolated) seedlings as they transition to growth in white, blue, or red light, undergoing photomorphogenesis. We find changes in expression levels for about 20 % of all genes and changes in splicing patterns in hundreds of transcripts. In more than 60 % of the light-regulated splicing events involving an assumed non-coding variant, production of a presumably protein-coding variant is increased in light, while levels of the other variant carrying Nonsense-mediated decay (NMD)-triggering features decline. Following this pattern, AS of the red light signalling component and putative splicing regulator REDUCED RED-LIGHT RESPONSES IN CRY1CRY2 BACKGROUND 1 (RRC1) shifts in favour of the functional variant upon light exposure. While AS of splicing regulator Ser/Arg-rich protein (SR) 30 also favours the protein-coding variant in light, the alternative variant is not degraded by NMD, and we explore potential other biological functions of this AS event. Furthermore, aiming to elucidate upstream signalling components, we find light-dependent AS to be unaffected in the photoreceptor mutant phyA phyB exposed to white light, indicating that photoreceptor signalling only plays a minor role upstream of AS in white light. Interestingly, sucrose supply and light alter the AS output similarly, suggesting that the changes in AS correlate with the plant energy status.

Pflanzen nutzen Licht als Energiequelle und Informationsträger um den Tag/Nacht Zyklus, die Jahreszeiten sowie konkurrierende Pflanzen in ihrer unmittelbaren Umgebung zu detektieren. Das Erkennen veränderter Lichtbedingungen ist für Pflanzen essentiell um ihren Metabolismus den äußeren Bedingungen anzupassen und ihre Entwicklungsprozesse zu steuern. In dieser Arbeit haben wir transkriptomweite Änderungen der Genexpression und des Alternativen Spleißens (AS) in dunkel gezogenen (etiolierten) Keimlingen untersucht, die sich unter blauem, rotem oder weißem Licht morphologisch den veränderten Lichtbedingungen anpassen, d. h. den Prozess der Photomorphogenese durchlaufen. Unsere Analyse zeigt, dass sich hierbei die Expressionslevel nahezu 20 % aller Gene, sowie die Spleißmuster hunderter Vorläufer-mRNAs (prä-mRNAs) ändern. Licht führt in mehr als 60 % der lichtregulierten Fälle mit AS zu einer vermutlich nicht-proteinbildenden Spleißvariante zur verstärkten Bildung der wahrscheinlich proteinkodierenden Spleißform. Die Varianten, von denen hierbei im Ausgleich weniger gebildet wird, tragen Merkmale, die voraussichtlich zum Abbau dieser mRNAs durch den RNA-Qualitätskontrollmechanismus Nonsense-mediated decay (NMD) führen. Entsprechend zeigen wir für den mutmaßlichen Spleißfaktor REDUCED RED-LIGHT RESPONSES IN CRY1CRY2 BACKGROUND 1 (RRC1), dessen Rolle in der Lichtsignalgebung in einer früheren Arbeit beschrieben wurde, dass in Licht das AS der prä-mRNA zugunsten der funktionellen Variante verschoben wird. Außerdem untersuchen wir die biologische Funktion des lichtabhängigen AS von dem Spleißfaktor Ser/Arg-rich protein (SR) 30, dessen alternative Variante trotz vorhandener NMD Merkmale nicht durch NMD abgebaut zu werden scheint. Um die für lichtabhängiges AS notwendige Signalgebung besser zu verstehen haben wir Bedeutung von Photorezeptoren in diesem Zusammenhang untersucht. Die Analysen zeigen, dass die Reaktion auf Weißlicht in der Rotlichtrezeptormutante phyA phyB unverändert ist. Dies deutet auf eine untergeordnete Rolle von Photorezeptoren für die Regulation von lichtabhängigem AS hin. Zudem führen interessanterweise die Gabe von Saccharose zu sehr ähnlichen Änderungen im AS wie Licht, was auf eine Kopplung des AS mit dem Energiestatus der Pflanze hinweist.