Universal plastid primers for chlorophyta and rhodophyta

To date, the majority of molecular genetic studies in algae have utilized a fairly limited range of markers such as the plastid rbcL gene and spacer, the mitochondrial cox2-3 spacer or the nuclear ribosomal DNA and spacers. The lack of available markers has been particularly problematic in studies of within-species variation. Whilst microsatellites are now being developed in many algal species, there remains a need for universal markers that can be applied to a wide range of species. The increasing availability of complete plastid genome sequences for several algae has allowed us to develop two sets of universal primers, similar to those available in higher plants, for the amplification of coding and non-coding regions of the plastid genome in red and green algae. These markers are expected to be useful in a broad range of algal population genetic and phylogenetic studies.

Evolution of plastid gene rps2 in a lineage of hemiparasitic and holoparasitic plants: Many losses of photosynthesis and complex patterns of rate variation

The plastid genomes of some nonphotosynthetic parasitic plants have experienced an extreme reduction in gene content and an increase in evolutionary rate of remaining genes. Nothing is known of the dynamics of these events or whether either is a direct outcome of the loss of photosynthesis. The parasitic Scrophulariaceae and Orobanchaceae, representing a continuum of heterotrophic ability ranging from photosynthetic hemiparasites to nonphotosynthetic holoparasites, are used to investigate these issues. We present a phylogenetic hypothesis for parasitic Scrophulariaceae and Orobanchaceae based on sequences of the plastid gene rps2, encoding the S2 subunit of the plastid ribosome. Parasitic Scrophulariaceae and Orobanchaceae form a monophyletic group in which parasitism can be inferred to have evolved once. Holoparasitism has evolved independently at least five times, with certain holoparasitic lineages representing single species, genera, and collections of nonphotosynthetic genera. Evolutionary loss of the photosynthetic gene rbcL is limited to a subset of holoparasitic lineages, with several holoparasites retaining a full length rbcL sequence. In contrast, the translational gene rps2 is retained in all plants investigated but has experienced rate accelerations in several hemi- as well as holoparasitic lineages, suggesting that there may be substantial molecular evolutionary changes to the plastid genome of parasites before the loss of photosynthesis. Independent patterns of synonymous and nonsynonymous rate acceleration in rps2 point to distinct mechanisms underlying rate variation in different lineages. Parasitic Scrophulariaceae (including the traditional Orobanchaceae) provide a rich platform for the investigation of molecular evolutionary process, gene function, and the evolution of parasitism.

RNA Polymerase Subunits Encoded by the Plastid rpo Genes Are Not Shared with the Nucleus-Encoded Plastid Enzyme1

Plastid genes in photosynthetic higher plants are transcribed by at least two RNA polymerases. The plastid rpoA, rpoB, rpoC1, and rpoC2 genes encode subunits of the plastid-encoded plastid RNA polymerase (PEP), an Escherichia coli-like core enzyme. The second enzyme is referred to as the nucleus-encoded plastid RNA polymerase (NEP), since its subunits are assumed to be encoded in the nucleus. Promoters for NEP have been previously characterized in tobacco plants lacking PEP due to targeted deletion of rpoB (encoding the β-subunit) from the plastid genome. To determine if NEP and PEP share any essential subunits, the rpoA, rpoC1, and rpoC2 genes encoding the PEP α-, β′-, and β"-subunits were removed by targeted gene deletion from the plastid genome. We report here that deletion of each of these genes yielded photosynthetically defective plants that lack PEP activity while maintaining transcription specificity from NEP promoters. Therefore, rpoA, rpoB, rpoC1, and rpoC2 encode PEP subunits that are not essential components of the NEP transcription machinery. Furthermore, our data indicate that no functional copy of rpoA, rpoB, rpoC1, or rpoC2 that could complement the deleted plastid rpo genes exists outside the plastids.

Residual plastids of bleached mutants of Euglena gracilis and their effects on the expression of nucleus-encoded genes

Bleached mutants of Euglena gracilis were obtained by treatment with ofloxacin (Ofl) and streptomycin (Sm) respectively. As shown by electron microscopy, the residual plastids contain prothylakoids in an Ofl mutant, and the highly developed and tightly stacked membranous structure found in cells of two Sm, mutants. Nine genes of the plastid genome were examined with PCR, showing that ribosomal protein genes and most other plastid genes were lost in all but one Sm mutant. Using differential display and RT-PCR, it was shown that chloroplast degeneration could cause changes in transcription of certain nucleus-encoded genes during heterotrophic growth in darkness.

Tracking the invasive history of the green alga Codium fragile ssp. tomentosoides

The spread of nonindigenous species into new habitats is having a drastic effect on natural ecosystems and represents an increasing threat to global biodiversity. In the marine environment, where data on the movement of invasive species is scarce, the spread of alien seaweeds represents a particular problem. We have employed a combination of plastid microsatellite markers and DNA sequence data from three regions of the plastid genome to trace the invasive history of the green alga Codium fragile ssp. tomentosoides. Extremely low levels of genetic variation were detected, with only four haplotypes present in the species’ native range in Japan and only two of these found in introduced populations. These invasive populations displayed a high level of geographical structuring of haplotypes, with one haplotype localized in the Mediterranean and the other found in Northwest Atlantic, northern European and South Pacific populations. Consequently, we postulate that there have been at least two separate introductions of C. fragile ssp. tomentosoides from its native range in the North Pacific.

Un rôle pour les protéines de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles chez Arabidopsis thaliana

Le maintien de la stabilité du génome est essentiel pour la propagation de l’information génétique et pour la croissance et la survie des cellules. Tous les organismes possèdent des systèmes de prévention des dommages et des réarrangements de l’ADN et nos connaissances sur ces processus découlent principalement de l’étude des génomes bactériens et nucléaires. Comparativement peu de choses sont connues sur les systèmes de protection des génomes d’organelles. Cette étude révèle l’importance des protéines liant l’ADN simple-brin de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles de plantes. Nous rapportons que les Whirlies sont requis pour la stabilité du génome plastidique chez Arabidopsis thaliana et Zea mays. L’absence des Whirlies plastidiques favorise une accumulation de molécules rearrangées produites par recombinaison non-homologue médiée par des régions de microhomologie. Ce mécanisme est similaire au “microhomology-mediated break-induced replication” (MMBIR) retrouvé chez les bactéries, la levure et l’humain. Nous montrons également que les organelles de plantes peuvent réparer les bris double-brin en utilisant une voie semblable au MMBIR. La délétion de différents membres de la famille Whirly entraîne une accumulation importante de réarrangements dans le génome des organelles suite à l’induction de bris double-brin. Ces résultats indiquent que les Whirlies sont aussi importants pour la réparation fidèle des génomes d’organelles. En se basant sur des données biologiques et structurales, nous proposons un modèle où les Whirlies modulent la disponibilité de l’ADN simple-brin, régulant ainsi le choix des voies de réparation et permettant le maintien de la stabilité du génome des organelles. Les divers aspects de ce modèle seront testés au cours d’expériences futures ce qui mènera à une meilleure compréhension du maintien de la stabilité du génome des organelles.

Implication des protéines WHIRLY dans la biogénèse du chloroplaste en association avec la protéine SIG6

Le mode vie autotrophique des plantes repose entièrement sur l’intégrité du chloroplaste et notamment l’étape de la biogénèse. La transcription des gènes chloroplastiques, assurée par une PEP (ARN polymérase encodée par le chloroplaste) et deux NEPs (ARN polymérase encodée par le noyau), est l’une des étapes primordiales dans le développement d’un chloroplaste photosynthétique. On distingue trois classes de gènes chloroplastiques : les gènes de classe I, transcrit par la PEP exclusivement; les gènes de classe II, transcrits par la PEP ou les NEPs; et les gènes de classe III, transcrits exclusivement par les NEPs. Pour assurer sa fonction, la PEP doit être associée à des facteurs sigmas. L’un de ceux-ci, la protéine SIG6, est un facteur sigma général et, associé à la PEP, assure la transcription de l’ensemble des gènes de classe I et II lors du développement du chloroplaste photosynthétique. Ainsi, le mutant sig6 présente un phénotype de cotylédons pâles, associé à un retard de biogénèse chloroplastique, ainsi qu’une diminution de la transcription des gènes de classe I, provoquant la diminution de la quantité de protéines de classe I. Dans le laboratoire, nous étudions les deux protéines WHIRLY chloroplastiques (WHY1 et WHY3) pour leur rôle dans le maintien de la stabilité génomique chloroplastique. Toutefois, peu de choses sont encore connues sur leur rôle potentiel dans la transcription ou la biogénèse chloroplastique. Par exemple, lorsque l’on tente de purifier la PEP, on obtient un gros complexe transcriptionnel nommé PTAC (Plastid Transcriptionally Active Chromosome) dans lequel sont retrouvées les deux protéines WHIRLY, suggérant qu’elles pourraient être impliquées dans la transcription chloroplastique. De plus, un possible rôle dans la biogénèse chloroplastique leur a été prêté, notamment chez le maïs. Dans cette étude, nous avons donc cherché à vérifier l’implication des protéines WHIRLY dans la biogénèse chloroplastique par une approche génétique de croisements entre les mutants sig6 et why1why3. Pour cela, nous avons isolé des doubles mutants sig6why1 et sig6why3, ainsi qu’un triple mutant sig6why1why3. À l’aide d’une caractérisation phénotypique et de la quantification de quelques protéines chloroplastiques, nous avons remarqué que la perte d’un des WHIRLY permet de complémenter le phénotype de cotylédons pâles du mutant sig6 et favorise l’expression normale de protéines en principe sous-exprimées dans le mutant sig6. Toutefois, la perte des deux WHIRLY ne permet pas de compenser le phénotype de cotylédons pâles et provoque l’apparition d’un phénotype persistant associé à une expression anormale des protéines chloroplastiques. Ces résultats ne peuvent être expliqués par le rôle des WHIRLY dans le maintien de la stabilité génomique chloroplastique étant donné que le triple mutant sig6why1why3 présente moins de réarrangements que le double mutant why1why3. Finalement, nous montrons que les effets de la perte d’un WHIRLY sur le mutant sig6 peuvent être mimés par l’utilisation de la rifampicine, une drogue inhibant l’ARN polymérase chloroplastique de type bactérienne (PEP). Ensemble, ces résultats démontrent donc l’implication des protéines WHIRLY chloroplastiques dans la biogénèse chloroplastique en association avec la protéine SIG6. Nous proposons un modèle selon lequel les deux protéines WHIRLY permettraient de favoriser l’activité de l’ARN polymérase de type bactérienne, notamment lors du développement du chloroplaste photosynthétique. En cas d’absence d’une des deux protéines, cette diminution partielle d’activité de la PEP favoriserait la mise en place d’un mécanisme de complémentation par le NEPs, permettant finalement de rétablir la biogénèse chloroplastique dans un mutant sig6. En l’absence des deux WHIRLY, le mécanisme de complémentation par les NEPs serait incapable de compenser la forte inhibition de la PEP, se traduisant par une aggravation du retard de développement du chloroplaste dans le mutant sig6.

Impacts des réarrangements génomiques chloroplastiques sur l'apparition des phénotypes de variégation chez Arabidopsis thaliana

Contrairement à la plupart des eucaryotes non-photosynthétiques, les végétaux doivent assurer la stabilité d’un génome additionnel contenu dans le plastide, un organite d’origine endosymbiotique. Malgré la taille modeste de ce génome et le faible nombre de gènes qu’il encode, celui-ci est absolument essentiel au processus de photosynthèse. Pourtant, même si ce génome est d’une importance cruciale pour le développement de la plante, les principales menaces à son intégrité, ainsi que les conséquences d’une déstabilisation généralisée de sa séquence d’ADN, demeurent largement inconnues. Dans l’objectif d’élucider les conséquences de l’instabilité génomique chloroplastique, nous avons utilisé le mutant why1why3polIb d’Arabidopsis thaliana, qui présente d’importants niveaux de réarrangements génomiques chloroplastiques, ainsi que la ciprofloxacine, un composé induisant des brisures double-brins dans l’ADN des organites. Ceci nous a permis d’établir qu’une quantité importante de réarrangements génomiques provoque une déstabilisation de la chaîne de transport des électrons photosynthétique et un grave stress oxydatif associé au processus de photosynthèse. Étonnamment, chez why1why3polIb, ces hautes concentrations d’espèces oxygénées réactives ne mènent ni à la perte de fonction des chloroplastes affectés, ni à la mort cellulaire des tissus. Bien au contraire, ce déséquilibre rédox semble être à l’origine d’une reprogrammation génique nucléaire permettant de faire face à ce stress photosynthétique et conférant une tolérance aux stress oxydatifs subséquents. Grâce à une nouvelle méthode d’analyse des données de séquençage de nouvelle génération, nous montrons également qu’un type particulier d’instabilité génomique, demeuré peu caractérisé jusqu’à maintenant, constitue une des principales menaces au maintien de l’intégrité génomique des organites, et ce, tant chez Arabidopsis que chez l’humain. Ce type d’instabilité génomique est dénommé réarrangement de type U-turn et est vraisemblablement associé au processus de réplication. Par une approche génétique, nous démontrons que les protéines chloroplastiques WHY1, WHY3 et RECA1 empêchent la formation de ce type d’instabilité génomique, probablement en favorisant la stabilisation et le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Une forte accumulation de réarrangements de type U-turn semble d’ailleurs être à l’origine d’un sévère trouble développemental chez le mutant why1why3reca1. Ceci soulève de nombreuses questions quant à l’implication de ce type d’instabilité génomique dans de nombreux troubles et pathologies possédant une composante mitochondriale.

Le maintien de la stabilité génomique du plastide : un petit génome d’une grande importance

Chez les plantes, le génome plastidique est continuellement exposé à divers stress mutagènes, tels l’oxydation des bases et le blocage des fourches de réplication. Étonnamment, malgré ces menaces, le génome du plastide est reconnu pour être très stable, sa stabilité dépassant même celle du génome nucléaire. Néanmoins, les mécanismes de réparation de l’ADN et du maintien de la stabilité du génome plastidique sont encore peu connus. Afin de mieux comprendre ces processus, nous avons développé une approche, basée sur l’emploi de la ciprofloxacine, qui nous permet d’induire des bris d’ADN double-brins (DSBs) spécifiquement dans le génome des organelles. En criblant, à l’aide de ce composé, une collection de mutants d’Arabidopsis thaliana déficients pour des protéines du nucléoïde du plastide, nous avons identifié 16 gènes vraisemblablement impliqués dans le maintien de la stabilité génomique de cette organelle. Parmi ces gènes, ceux de la famille Whirly jouent un rôle primordial dans la protection du génome plastidique face aux réarrangements dépendants de séquences de microhomologie. Deux autres familles de gènes codant pour des protéines plastidiques, soit celle des polymérases de types-I et celle des recombinases, semblent davantage impliquées dans les mécanismes conservateurs de réparation des DSBs. Les relations épistatiques entre ces gènes et ceux des Whirly ont permis de définir les bases moléculaires des mécanismes de la réparation dépendante de microhomologies (MHMR) dans le plastide. Nous proposons également que ce type de mécanismes servirait en quelque sorte de roue de secours pour les mécanismes conservateurs de réparation. Finalement, un criblage non-biaisé, utilisant une collection de plus de 50,000 lignées mutantes d’Arabidopsis, a été réalisé. Ce criblage a permis d’établir un lien entre la stabilité génomique et le métabolisme des espèces réactives oxygénées (ROS). En effet, la plupart des gènes identifiés lors de ce criblage sont impliqués dans la photosynthèse et la détoxification des ROS. Globalement, notre étude a permis d’élargir notre compréhension des mécanismes du maintien de la stabilité génomique dans le plastide et de mieux comprendre l’importance de ces processus.

Selection of candidate coding DNA barcoding regions for use on land plants

An in silico screen of 41 of the 81 coding regions of the Nicotiana plastid genome generated a shortlist of 12 candidates as DNA barcoding loci for land plants. These loci were evaluated for amplification and sequence variation against a reference set of 98 land plant taxa. The deployment of multiple primers and a modified multiplexed tandem polymerase chain reaction yielded 85–94% amplification across taxa, and mean sequence differences between sister taxa of 6.1 from 156 bases of accD to 22 from 493 bases of matK. We conclude that loci should be combined for effective diagnosis, and recommend further investigation of the following six loci: matK, rpoB, rpoC1, ndhJ, ycf5 and accD.

Contrasting intra versus interspecies DNA sequence variation for representatives of the Batrachospermales (Rhodophyta): Insights from a DNA barcoding approach

Sixty-five accessions of the species-rich freshwater red algal order Batrachospermales were characterized through DNA sequencing of two regions: the mitochondrial cox1 gene (664 bp), which is proposed as the DNA barcode for red algae, and the UPA (universal plastid amplicon) marker (370 bp), which has been recently identified as a universally amplifying region of the plastid genome. upgma phenograms of both markers were consistent in their species-level relationships, although levels of sequence divergence were very different. Intraspecific variation of morphologically identified accessions for the cox1 gene ranged from 0 to 67 bp (divergences were highest for the two taxa with the greatest number of accessions; Batrachospermum helminthosum and Batrachospermum macrosporum); while in contrast, the more conserved universal plastid amplicon exhibited much lower intraspecific variation (generally 0-3 bp). Comparisons to previously published mitochondrial cox2-3 spacer sequences for B. helminthosum indicated that the cox1 gene and cox2-3 spacer were characterized by similar levels of sequence divergence, and phylogeographic patterns based on these two markers were consistent. The two taxa represented by the largest numbers of specimens (B. helminthosum and B. macrosporum) have cox1 intraspecific divergence values that are substantially higher than previously reported, but no morphological differences can be discerned at this time among the intraspecific groups revealed in the analyses. DNA barcode data, which are based on a short fragment of an organellar genome, need to be interpreted in conjunction with other taxonomic characters, and additional batrachospermalean taxa need to be analyzed in detail to be able to draw generalities regarding intraspecific variation in this order. Nevertheless, these analyses reveal a number of batrachospermalean taxa worthy of more detailed DNA barcode study, and it is predicted that such research will have a substantial effect on the taxonomy of species within the Batrachospermales in the future.

Molecular support for the establishment of the new genus Laurenciella within the Laurencia complex (Ceramiales, Rhodophyta)

Currently, five genera are assigned to red seaweeds of the Laurencia complex worldwide: Chondrophycus, Laurencia s.s., Osmundea, Palisada and Yuzurua. The genera are segregated on the basis of morphological characters, especially the reproductive traits, and molecular sequences of the plastid-encoded gene rbcL. Four of the genera have been resolved as monophyletic, but not Laurencia s.s. In this study based on an rbcL gene phylogeny we show the presence of a sixth lineage within the Laurencia complex, viz., Laurencia marilzae plus two unidentified species of Laurencia from Brazil. The phylogenetic position of this group, combined with the high genetic divergence from Laurencia s.s. (8.2-11%), strongly support the establishment of a sixth genus for the complex, proposed here as Laurenciella gen. nov. This new taxon differs from Laurencia s.s. and from the other genera of the complex by molecular sequence data, but is indistinguishable from Laurencia s.s. by the usual morphological features.

Chloroplast genes are expressed during intracellular symbiotic association of Vaucheria litorea plastids with the sea slug Elysia chlorotica.

The marine slug Elysia chlorotica (Gould) forms an intracellular symbiosis with photosynthetically active chloroplasts from the chromophytic alga Vaucheria litorea (C. Agardh). This symbiotic association was characterized over a period of 8 months during which E. chlorotica was deprived of V. litorea but provided with light and CO2. The fine structure of the symbiotic chloroplasts remained intact in E. chlorotica even after 8 months of starvation as revealed by electron microscopy. Southern blot analysis of total DNA from E. chlorotica indicated that algal genes, i.e., rbcL, rbcS, psaB, psbA, and 16S rRNA are present in the animal. These genes are typically localized to the plastid genome in higher plants and algae except rbcS, which is nuclear-encoded in higher plants and green (chlorophyll a/b) algae. Our analysis suggests, however, that similar to the few other chromophytes (chlorophyll a/c) examined, rbcS is chloroplast encoded in V. litorea. Levels of psbA transcripts remained constant in E. chlorotica starved for 2 and 3 months and then gradually declined over the next 5 months corresponding with senescence of the animal in culture and in nature. The RNA synthesis inhibitor 6-methylpurine reduced the accumulation of psbA transcripts confirming active transcription. In contrast to psbA, levels of 16S rRNA transcripts remained constant throughout the starvation period. The levels of the photosystem II proteins, D1 and CP43, were high at 2 and 4 months of starvation and remained constant at a lower steady-state level after 6 months. In contrast, D2 protein levels, although high at 2 and 4 months, were very low at all other periods of starvation. At 8 months, de novo synthesis of several thylakoid membrane-enriched proteins, including D1, still occurred. To our knowledge, these results represent the first molecular evidence for active transcription and translation of algal chloroplast genes in an animal host and are discussed in relation to the endosymbiotic theory of eukaryote origins.