Role of ubiquitin in the control of plant growth and stress tolerance



Vicente Rubio

Group Leader



 Research summary

The group is focused on the characterization of new functions of the ubiquitination machinery in plants. For this, we study E3 ubiquitin ligases, such as CRL4-CDDD complexes, that act as hubs to integrate signals from different abiotic stresses and environmental stimuli in plants to trigger coherent adaptive and developmental responses. Interestingly, CRL4-CDDD complexes act in close proximity to the chromatin, controlling the stability and function of a plethora of chromatin remodeling machineries and transcription regulators, and therefore regulate transcriptional reprogramming of plants in response to environmental cues.



Blanco-Touriñán N, Legris M, Minguet EG, Costigliolo-Rojas C, Nohales MA, Iniesto E, García-Leόn M, Pacín M, Heucken N, Blomeier T, Locascio A, Černý M, Esteve-Bruna D, Díez-Díaz M, Brzobohatý B, Frerigmann H, Zurbriggen MD, Kay SA, Rubio V, Blázquez MA, Casal JJ, Alabadí D. COP1 destabilizes DELLA proteins in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Jun 16;117(24):13792-13799.

Chico JM, Lechner E, Fernandez-Barbero G, Canibano E, García-Casado G, Franco-Zorrilla JM, Hammann P, Zamarreño AM, García-Mina JM, Rubio V, Genschik P, Solano R. CUL3BPM E3 ubiquitin ligases regulate MYC2, MYC3, and MYC4 stability and JA responses. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Mar 2. pii: 201912199.

Fonseca S, Rubio V. Arabidopsis CRL4 Complexes: Surveying Chromatin States and Gene Expression. Front Plant Sci. ,2019 Sep 17;10:1095.

García-León M, Cuyas L, El-Moneim DA, Rodriguez L, Belda-Palazón B, Sanchez-Quant E, Fernández Y, Roux B, Zamarreño ÁM, García-Mina JM, Nussaume L, Rodriguez PL, Paz-Ares J, Leonhardt N, Rubio V. Arabidopsis ALIX Regulates Stomatal Aperture and Turnover of Abscisic Acid Receptors. Plant Cell. 2019 Oct;31(10):2411-2429.

Nassrallah A, Rougée M, Bourbousse C, Drevensek S, Fonseca S, Iniesto E, Ait-Mohamed O, Deton-Cabanillas AF, Zabulon G, Ahmed I, Stroebel D, Masson V, Lombard B, Eeckhout D, Gevaert K, Loew D, Genovesio A, Breyton C, De Jaeger G, Bowler C, Rubio V, Barneche F. DET1-mediated degradation of a SAGA-like deubiquitination module controls H2Bub homeostasis. Elife. 2018 Sep 7;7. pii: e37892


Figure1The relevance of protein ubiquitination as an integral mechanism of many signaling pathways in plants has been demonstrated extensively. Ubiquitin (Ub) conjugation to proteins (i.e. ubiquitination) may trigger degradation of protein targets at the 26S proteasome or changes in their properties (e.g., protein activity, localization, assembly and interaction ability), depending on the extent or specific Ub chain configurations. Protein ubiquitination is mediated by an enzymatic cascade in which different types of E3 Ub ligases provide the substrate specificity.

Among them, Cullin4 RING E3 ubiquitin ligases (CRL4) have been involved in biological processes spanning the plant´s whole life, including embryogenesis, seedling photomorphogenesis, circadian clock function, flowering and tolerance to different stresses (i.e. drought, high salinity, cold, osmotic stress) by promoting degradation of specific targets controlling those processes (Fig. 1). As an example, we have recently shown that DDA1, a substrate adaptor of CRL4-CDDD complexes, recognizes abscisic acid (ABA) receptors, triggering their ubiquitination and proteasomal degradation (Irigoyen et al., The Plant Cell 2014). Therefore, CRL4-CDDD complexes act as repressors of ABA-mediated water stress responses under optimal growth conditions. Interestingly, CRL4-CDDD function is performed in close proximity to chromatin, which should enable rapid translation of environmental and stress signals into changes in gene expression (Fig. 2; Fonseca and Rubio, 2019). Indeed, recent results from our laboratory showed that CRL4-CDDD complexes are part of a molecular pathway controlling epigenetic homeostasis (including Histone2B ubiquitination) in response to external stimuli (i.e. light conditions; Nassrallah et al., eLife 2018). Our current objectives aim to identify and characterize additional mechanisms by which CRL4-CDDD controls the accumulation of specific epigenetic marks over the plant genome in response to environmental changes, to regulate expression of specific set of genes that lead to plant adaptation to changing climate conditions.





Vicente Rubio Principal investigator
Sandra Fonseca Senior scientist
Pablo Pulido Senior scientist
Esther Cañibano Predoctoral scientist
Yolanda Fernández Technician
Zeltia Ferreiro Technician


Sandra Fonseca

Ramón y Cajal grant call: 2014, starting date 2016

Project´s name: Light signalling and chromatin dinamics

Summary: Light fuels plant life and is an essential cue that modulates growth and development throughout all the plant life cycle. As sessile photoautotrophic organisms, plants evolved to capture light in an optimal manner and developed sophisticated strategies to perceive light signals and to transduce them into molecular signalling networks. However, plants often have to cope with excessive light conditions, which generate stress and limits growth.

The COP/DET/FUSCA group of proteins are key repressors of light signalling and are essential to control light associated damage responses. Among them, DE-ETIOLATED1 (DET1) is a member of a CULLIN4 based E3 ubiquitin ligase that promotes protein ubiquitination and targeting for proteasomal degradation. DET1 acts as a central hub as a regulator of transcription in response to light in different ways. As a chromatin associated protein, DET1 controls the levels of Histone 2B ubiquitination by promoting the degradation of a SAGA-like deubiquitination module essential for transcription. Additionally, DET1 controls the stability of the central regulator CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC1 (COP1) and of its target, the transcriptional activator ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5). Through this mechanism, DET1 controls HY5 abundance and activity by limiting its binding to specific target genes. Uncontrolled HY5 accumulation expands its activity, limits plant growth, compromise viability and photoautotrophy. We are currently exploring the molecular details of DET1 mediated COP1 and HY5 destabilization, the regulation of new chromatin marks and events related to transcription, employing genetic, genomic and proteomic tools.

We are also seeking to identify mechanisms by which light signalling components interfere with other environmental related signalling pathways and vice-versa, especially at the chromatin level and on the regulation of transcription factor activity.


Laboratory Members

Sandra Fonseca Ramón y Cajal researcher
Esther Cañibano Predoctoral scientist, co-supervised with Vicente rubio
Radin Norouzi Predoctoral scientist, co-supervised with Vicente rubio
Laura Gómez Master student
Leticia Saez Undergraduate student



Cañibano E, Bourbousse C, Garcia-Leon M, Wolf L, Garcia-Baudino C, Barneche F, Rubio V, Fonseca S DET1-mediated COP1 regulation avoids HY5 activity over second-site targets to tune plant photomorphogenesis. . bioRxiv, 2020

Fonseca S, Rubio V. Arabidopsis CRL4 complexes: surveying chromatin states and gene expression.. Frontiers in Plant Sci 2019; 10: 1095

Ortigosa A, Fonseca S, Franco Zorrilla JM, Fernandez-Calvo P, Zander M, Lewsey MG, García-Casado G, Ecker JR, Solano R The JA‐pathway MYC transcription factors regulate photomorphogenic responses by targeting HY5 gene expression.. Plant J, 2019 102: 138-152.

Nassrallah A, Rougee M, Bourbousse C, Drevensek S, Fonseca S, Iniesto E, Ait-Mohamed O, Deton-Cabanillas A, Zabulon G, Ahmed I, Stroebel D, Masson V, Lombard B, Eeckhout D, Gevaert K, Loew D, Genovesio A, Breyton C, de Jaeger G, Bowler C, RubioV, Barneche F DET1-mediated degradation of a SAGA-like deubiquitination module controls H2Bub homeostasis.. eLife 2018; 7:e37892

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