Post-transcriptional mechanisms orchestrating plant thermomorphogenesis

Abstract

Plants respond to warm ambient temperatures through a suite of coordinated morphological and molecular adjustments collectively termed thermomorphogenesis. Understanding how post-transcriptional mechanisms link temperature sensing to developmental outputs remains a central challenge in plant biology. In this thesis, I investigated how warm temperature orchestrates root growth by integrating cellular, molecular, and genetic approaches, with particular emphasis on post-transcriptional regulation of mRNA fate. Our results reveal that temperature-dependent growth plasticity is conserved across dicots and Arabidopsis accessions, with primary root elongation exhibiting a robust non-linear, peaked response at intermediate temperatures and declining under supra-optimal conditions, while hypocotyl elongation follows a distinct, progressively increasing trajectory. At the cellular scale, warm temperature rebalances root growth by reducing meristematic cell number and promoting layer-specific cell enlargement, with qualitatively distinct outcomes between 28 °C and 30 °C. Post-transcriptional regulation emerges as a key integrating layer connecting temperature signals to these developmental outcomes. Cytoplasmic condensates remodel in a component-specific manner under warming: DCP5 foci increase markedly in number and size, whereas DCP1 shows comparatively modest remodeling; FUST1 condensates also increase, consistent with temperature-sensitive reorganization of mRNA triage states. Using whole-mount single-molecule RNA fluorescence in situ hybridization (smFISH) coupled to transcriptional arrest by cordycepin, this work quantifies subcellular mRNA dynamics at single-cell resolution and reveals gene-specific rewiring of mRNA fate across nuclear and cytoplasmic pools. TIP2;1 is selectively destabilized at 28 °C (half-life 57 min) but highly stable at 21 °C, with depletion evident in both compartments. In contrast, FZR3 shifts toward stabilization under warming (half-life > 24 h). BGLU22 shows a stability inversion (stable at 21 °C; accelerated decay at 28 °C), and SHM1 declines under warming in both nuclear and cytoplasmic pools. Genetic perturbation of the mRNA export machinery (4xaly quadruple mutant) reshapes warm-growth phenotypes and transcript-specific nuclear-cytoplasmic partitioning, demonstrating that nuclear export capacity contributes to full thermomorphogenic root responses. Together, these results support an integrated model in whichwarm temperature modulates root development by coordinating meristem architecture and tissue-layer growth rules with condensate-dependent mRNA triage and transcript-specific nuclear-cytoplasmic partitioning and decay, collectively generating organ-specific thermal optima. Keywords: warm temperature; root development; mRNA decay; p-bodies; stress granules; nuclear exportPlantas respondem a temperaturas moderadamente elevadas por meio de um conjunto de ajustes morfológicos e moleculares coordenados, coletivamente denominados termomorfogênese. Compreender como mecanismos pós- transcricionais conectam a percepção da temperatura a desfechos do desenvolvimento permanece um desafio central na biologia vegetal. Esta tese investiga como a temperatura elevada orquestra o crescimento da raiz e do hipocótilo, integrando abordagens celulares, moleculares e genéticas, com ênfase particular na regulação pós-transcricional do destino do mRNA. Nossos resultados revelam que a plasticidade de crescimento dependente de temperatura é conservada entre dicotiledôneas e acessos de Arabidopsis, com o alongamento da raiz primária exibindo uma resposta não linear com pico em temperaturas intermediárias e declínio em condições supra-ótimas, enquanto o alongamento do hipocótilo segue uma trajetória progressivamente crescente e distinta. Em nível celular, a temperatura elevada reequilibra o crescimento radicular reduzindo o número de células meristemáticas e promovendo expansão celular específica por camada, com desfechos qualitativamente distintos entre 28 °C e 30 °C. A regulação pós-transcricional emerge como uma camada de integração fundamental entre os sinais de temperatura e esses desfechos do desenvolvimento. Condensados citoplasmáticos são remodelados de forma específica ao componente sob aquecimento: focos de DCP5 aumentam marcadamente em número e tamanho, enquanto DCP1 apresenta remodelamento comparativamente discreto; condensados de FUST1 também aumentam, consistente com a reorganização sensível à temperatura dos estados de triagem de mRNAs. Por meio de smFISH em tecido inteiro acoplado ao bloqueio transcricional por cordycepina, este trabalho quantifica a dinâmica subcelular de mRNAs com resolução unicelular e revela a reprogramação gene-específica do destino dos transcritos entre os pools nucleares e citoplasmáticos. TIP2;1 é seletivamente desestabilizado a 28 °C (meia-vida 57 min), mas altamente estável a 21 °C. Em contraste, FZR3 desloca-se para estabilização sob aquecimento (meia-vida > 24 h). BGLU22 exibe inversão de estabilidade (estável a 21 °C; decaimento acelerado a 28 °C), e SHM1 diminui sob aquecimento em ambos os compartimentos. A perturbação genética da maquinaria de exportação demRNA (mutante 4xaly) remodela os fenótipos de crescimento em temperatura elevada e o particionamento núcleo-citoplasma específico por transcrito, demonstrando que a capacidade de exportação nuclear contribui para as respostas termomorfogênicas completas da raiz. Em conjunto, esses resultados sustentam um modelo integrado no qual a temperatura elevada modula o desenvolvimento radicular ao coordenar a arquitetura do meristema e as regras de crescimento por camada tecidual com a triagem de mRNAs dependente de condensados e o particionamento e decaimento específicos por transcrito, gerando, em última instância, ótimos térmicos específicos entre órgãos. Palavras-chave: temperaturas moderadas; desenvolvimento radicular; degradação de mRNA; p-bodies; grânulos de estresse; exportação nuclear