" Arabidopsis Thaliana " response to insect feeding : new components controlling defense gene expression and plant resistance

Abstract: Plants cannot run away to escape attacking herbivores, but they defend themselves by producing anti-digestive proteins and toxic compounds (for example glucosinolates). The first goal of this thesis was to study changes in gene expression after insect attack using microarrays. The responses of Arabidopsis thaliana to feeding by the specialist Pieris rapae and the generalist Spodoptera liffora is were compared. We found that the transcript profiles after feeding by the two chewing insects were remarkably similar, although the generalist induced a slightly stronger response. The second goal was to evaluate the implication of the four signals jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA), ethylene (ET), and abscisic acid (ABA) in the control of insect-regulated gene expression. Using signaling mutants, we observed that JA was the predominant signal and that ABA modulated defense gene expression. In contrast, SA and ET appeared to control slightly gene expression, but only after feeding by S. litforalis. The third goal was to establish whether plant responses are really effective against insects. In accordance with the transcript profile, both insects were affected by the JA-dependent defenses, as they performed better on the JA-insensitive mutant. S. littoralis also performed better on ABA-deficient mutants, providing evidence for the role of ABA in defense against insects. When testing indole or aliphatic glucosinolate deficient mutants, we found that they were also more susceptible to insect feeding, providing some of the first genetic evidence for the defensive role of glucosinolates in planta. Finally, a glutathione-deficient mutant, pad2-1, was also more susceptible to insect feeding and we could attribute this phenotype to a lowered accumulation of the major indole glucosinolate. In this thesis, we provide a comprehensive list of insect-regulated genes, including many transcription factors that constitute interesting candidate genes for the further study of insect-induced expression changes. Understanding how the plant responses to insects are regulated will provide tools for a better management of insect pest in the field. Résumé: Les plantes ne peuvent s'échapper pour fuir les insectes qui les attaquent, mais elles se défendent en produisant des protéines anti-digestives et des composés toxiques (par exemple des glucosinolates). Le premier but de cette thèse était d'étudier les changements de l'expression génétique lors d'attaque par des insectes en utilisant des puces à ADN. Nous avons comparé la réponse d'Arabidopsis thaliana à deux espèces d'insectes avec des habitudes alimentaires différentes : le spécialiste Pieris rapae et le généraliste Spodoptera littoralis. Nous avons trouvé que les profils de transcription après l'attaque par les deux insectes sont remarquablement similaires, bien que le généraliste induise une réponse légèrement plus forte. Le deuxième but était de déterminer l'implication de quatre signaux dans le contrôle de la réponse :l'acide jasmonique (JA), l'acide salicylique (SA), l'éthylène (ET), et l'acide abscissique (ABA). En utilisant de mutants de signalisation, nous avons montré que l'acide jasmonique était le signal prédominant et que l'acide abscissique modulait l'expression génétique. D'autre part, l'acide salicylique et l'éthylène contrôlent à un degré moindre l'expression génétique, mais seulement après l'attaque par S. littoralís. Le troisième but était d'établir si les réponses des plantes sont efficaces contre les insectes. En accord avec le profil de transcription, les deux espèces d'insectes se sont mieux développées sur un mutant insensible au JA, indiquant que les défenses contrôlées par ce signal sont cruciales pour la plante. De plus, les larves de S. littorales se sont mieux développées sur des mutants déficients en ABA, ce qui fournit une preuve du rôle de l'acide abscissique dans la défense contre les insectes. En testant des mutants déficients en glucosinolates de type indole ou aliphatique, nous avons trouvé qu'ils étaient plus sensibles aux insectes, démontrant ainsi le rôle défensif des glucosinolates in planta. Finalement, le mutant déficient en glutathion pad2-1 était aussi plus sensible à l'attaque des insectes, et nous avons pu attribuer ce phénotype à une plus faible augmentation d'un indole glucosinolate dans ce mutant. Dans cette thèse, nous avons mis en évidence un nombre important de gènes contrôlés par les insectes, comprenant de nombreux facteurs de transcription qui constituent des candidats intéressants pour`étudier plus en détail les changements d'expression génétique induits par les insectes. Une meilleure compréhension de la réponse des plantes contre l'attaque des insectes devrait nous permettre de développer de nouvelles stratégies pour mieux gérer les ravageurs des cultures.

Organisation and role of actin microfilaments during cellular growth and morphogenesis in the moss Physcomitrella patens

ABSTRACT The network of actin cytoskeleton is composed of actin filaments (F-actin) that are made by polymerisation of actin monomers and actin binding proteins. It is required for growth and morphogenesis of eukaryotic cells. The labelling of F-actin with constitutively expressed GFP-Talin (Kost et al., 1998) reveals the organisation of cellular actin networks in plants. Due to the lack of information on actin cytoskeleton through gametophytic development of the model moss plant Physcornitrella patens, stable transgenic lines overexpressing GFP-Talin were generated to detect F-actin structures. It is shown that the 35S promoter driven expression is not suitable for F-actin labelling in all cells. When it is replaced by the inducible heat-shock promoter Gmhsp17.3 from soybean, one hour mild heat stress at 37°C followed by recovery at 25°C is enough to induce efficient and transient labelling in all tissues without altering cellular morphology. The optimal observations of F-actin structures at different stages of moss development can be done between 12-18 hours after the induction. By using confocal microscopy, we demonstrate that stellated actin arrays were densely accumulated at the growing tip in regenerating protoplasts, apical protonemal cells and rhizoids and connected with a fine dispersed F-actin mesh. Following three-dimensional growth, the cortical star-like structures are widespread in the meristematic cells of developing bud and young gametophores. On the contrary, undulating networks of actin cables are found at the final stage of cell differentiation. During redifferentiation of mature leaf cells into protonemal filaments the rather stagnant web of actin cables is replaced by diffuse actin meshwork. In eukaryotes, nucleation of the actin monomers prior to their polymerization is driven by the seven-subunit ARP2/3 complex and formins. We cloned the gene encoding the ARP3 subunit of P. patens and generated arp3 mutants of the moss through gene disruption. The knockout of ARP3 affects the elongation of chloronemal cells and blocks further differentiation of caulonemal cells and rhizoids, and the gametophores are slightly stunted compared to wild-type. The arp mutants were created in the heat-shock inducible GFP-Talin strains allowing us to visualise a disorganised actin network and a lack of star-like actin cytoskeleton arrays. We conclude that ARP2/3 dependent nucleation of actin filaments is critical for the growth of filamentous cells, which in turn influences moss colonization. In complementation assays, the overexpression of Physcomitrella and Arab idopsis ARP3 genes in the moss arp3 mutant results in full recovery of wild type phenotype. In contrast the ARP3 subunit of fission yeast is not able to complement the moss arp3 mutant of moss indicating that regulation of the ARP2/3 dependent actin nucleation diverged in different kingdoms. RESUME Le réseau d'actine est composé de filaments de F-actine et d'un ensemble de protéines s'y attachant (Actin binding proteins). Le réseau d'actine est nécessaire à la croissance et à la morphogenèse de toutes les cellules eucaryotes. Chez les plantes, le marquage ainsi que l'étude de l'organisation du réseau d'actine ont été réalisés en utilisant une fusion GFP-Talin (Kost et al., 1998) exprimée sous le control d'un promoteur constitutif. Afin d'étudier les structures F-actine dans les cellules de Physcomitrella Patens et pour combler le manque d'information sur le développement des gamétophores, des lignées transgéniques stables surexprimant GFP-Talin ont été crées. Nous avons démontré que l'utilisation du promoteur 35S est inadéquate pour le marquage complet et homogène des filaments d'actine dans toutes les cellules de P. patens. Par contre, l'utilisation du promoteur inductible Gmhsp17.3 nous a permis de réaliser un marquage transitoire et général dans tous les tissus de la mousse. Une heure de choc thermique à 37°C suivis d'un temps de récupération de 12-18h à 25°C sont les conditions optimales (sans dommages cellulaires) pour l'observation des structures F-actine à différentes étapes de développement de la mousse. En utilisant la microscopie confocale, nous avons observé l'existence de structures F-actine accumulées en forme d'étoiles. Ces structures, qui sont liées au réseau de microfilaments d'actine, ont été observées dans les protoplastes en régénération, les cellules des protonema apicales ainsi que dans les rhizoïdes. En suivant la croissance tridimensionnelle, ces structures en étoiles ont été observées dans les cellules meristématiques des bourgeons et des jeunes gamétophores. Par contre, dans les cellules différentiées ces structures laissent place à des réseaux de câbles épais. Nous avons également remarqué que durant la redifferentiation des cellules foliaires le réseau de câbles de F-actine est remplacé par un réseau de F-actine diffus. Dans les cellules eucaryotes, la nucléation des filaments d'actirie précédant leur polymérisation est contrôlé par sept sous unités du complexe ARP2/3 et par des formines. Nous avons isolé le gène codant pour la sous unité ARP3 de P. patens et nous avons crée des mutants arp3 par intégration ciblée (Knockout). L'élongation des cellules chloronema est clairement affectée dans les mutants arp3. La différentiation des caulonemata et des rhizoïdes est bloquée et les gametophores sont légèrement plus courts comparé au type sauvage. A fin d'étudier l'organisation des filaments d'actines dans les mutants arp3, nous avons aussi réalisé un arp3-knockout dans la lignée Hsp-GFP-Talin. La nouvelle lignée générée nous a permis de visualiser une désorganisation du réseau d'actine et une absence complète de structures de F-actine accumulée en forme d'étoiles. Les résultats obtenus nous amènent à conclure que la nucléation (ARP2/3 dépendante) des filaments d'actine est indispensable à la croissance des cellules filamenteuses. Par conséquent, les filaments d'actine semblent avoir un rôle dans la colonisation des milieux par les mousses. Nous avons également procédé à des essais de complémentation du mutant arp3. La surexpression des gènes ARP3 de Physcomitrella et d'Arabidopsis dans les cellules du mutant arp3 rétabli complètement le phénotype WT. Par contre, le gène ARP3 des levures n'est pas suffisant pour complémenter la même mutation dans les cellules de mousses. Ce résultat démontre que les mécanismes de régulation de la nucléation des filaments d'actine (ARP2/3 dépendante) sont différents entre les différents groupes d'eucaryotes.

Looking for factors involved in the light-dependent degradation of phytochrome A

SUMMARY : Phytochromes constitute a family of red/far-red photoreceptors regulating all the major transitions during the life cycle of plants. In Arabidopsis, five members: phyA,_ B, C, D and E, were identified. Phytochromes are synthesized in their inactive red-light absorbing form called Pr. Upon light absorbance they convert to the far-red light absorbing Pfr form. The Pfr form is the active conformer which converts back to the Pr form either rapidly upon far-red perception or in a slower process called dark reversion. ph~A represents an exception, in that it does not significantly dark-revert and two specific processes have been developed by the plants to decrease the amount of biologically active phyA. The first one is alight-dependent repression of the PHYA gene expression and the second one is alight-dependent degradation of the phyA protein. The latter is the most efficient process to rapidly decrease the level of active phyA. The ability of plants to regulate the amount of active phyA is critical in a far-red rich environment, a situation observed under a canopy. In these conditions, phyA is essential to induce the germination and the deetiolation of the young seedling. Later in the development the ability of phyA to repress growth counteracts the shade avoidance response. Therefore decreasing the amount of phyA allows stem growth and to compete with neighbours for the light. In this thesis, I investigate the light-dependent degradation of phyA. I developed a reverse genetic approach based on the systematic analysis of the light-dependent accumulation of phyA in the different cullin mutant cull, cul3a; cul3b and cul4. This analysis allowed me to show that CUL1 and CUL3A-based E3 ligase complexes are involved in the regulation of phyA degradation. Surprisingly, our results also demonstrate that cu14 is not affected in the degradation of phyA whereas constitutive Photomorphogenic 1 (COP1) a subunit of one CUL4based E3 complex was reported to be involved. Further investigations showed that the phenotype of cop1 is conditional, the mutant being defective in phyA degradation only in the presence of metabolisable sugars. I also showed that phyA is degraded by a proteasome-dependent mechanism both in the cytoplasm and in the nucleus using mutants and transgenic lines affected in the localization of phyA. Interestingly, I observed that phyA degradation was faster in the nucleus than in the cytosol and that rapid degradation of Pr also occurred in the nucleus suggesting that cytosolic accumulation of phyA in the dark is a way to regulate its proteolysis. Finally, we identify a short region similar to a PEST sequence required for phyA stability and we developed a unbiased genetic screen to identify new components involved in the regulation of the light-dependent degradation of phyA. The significance of these results are discussed. RESUME : Les phytochromes (phy) constituent une famille de photorécepteurs absorbant la lumière rouge et rouge lointaine et régulant toutes les étapes de transitions majeures dans la vie des plantes. Chez Arabidopsis, cinq membres : phyA, B, C, D et E ont été identifiés. Les phytochromes sont synthétisés sous une forme inactive appelée Pr absorbant la lumière rouge. Après perception de lumière ils passent sous une forme active Pfr absorbant dans le rouge lointain. La forme Pfr peut retourner sous la forme Pr après absorption de lumiëre rouge lointaine ou dans un processus lent appelé «réversion à l'obscurité ». phyA représente une exception à cette règle car il ne retoune pas significativement sous sa forme inactive dans le noir. Deux processus spécifiques ont donc été développés pour diminuer le taux de phyA actif. Le premier consiste en la répression du gène PHYA en condition de lumière et le second en une dégradation induite par la lumière de la protéine phyA. Ce dernier processus est le plus efficace pour diminuer rapidement le niveau de phyA. La capacité des plantes à réguler le taux de phyA actifs est critique dans un environnement riche en lumière rouge lointaine, une situation observée sous une canopée. Sous une canopée, phyA est essentiel pour induire la germination et la dé-étiolation de la jeune pousse. Plus tard dans le développement la capacité de phyA de réprimer la croissance freine la «réponse à l'évitement de l'ombre ». Par conséquent diminuer le taux de phyA permet la croissance de la tige et donc de rentrer en compétition pour la lumière avec les plantes avoisinantes. Dans cette thèse, j'ai étudié la dégradation de phyA. J'ai développé une approche génétique inverse basée sur l'analyse systématique de l'accumulation de phyA en condition de lumière dans les différents mutants cullin, cul1, cul3a, cul3b et cul4. Ces analyses nous ont permis d'identifier qu'un complexe E3 ligase CUL1 et un complexe E3 ligase CUL3A sont impliqués dans la régulation de la dégradation de phyA. Mes résultats démontrent aussi que le mutant cul4 n'est pas affecté dans la dégradation de phyA alors que Çonstitutive Photomorphogenic 1 (COPI) une sous unité d'un complexe CUL4 à été identifier dans la régulation de cette dégradation. Des analyses supplémentaires suggèrent que l'effet de la mutation cop1 est dépendante dë la présence de sucres métabolisables. J'ai aussi montré que phyA est dégradé dans le noyau et dans le cytoplasme par un mécanisme dépendant du protéasome et que la dégradation dans le.noyau est non seulement aspécifique de la forme Pr ou Pfr mais aussi est plus rapide que dans le cytoplasme. Ceci suggère que l'accumulation de phyA dans le cytoplasme permet son accumulation à des niveaux élevés à l'obscurité. Enfin j'ai identifié une région similaire à un motif PEST requise pour la stabilité de phyA et j'ai aussi développé un criblage génétique non biaisé pour identifier de nouveaux composants impliqués dans la régulation de la dégradation de phyA. L'importance de ces résultats est discutée dans le dernier chapitre de cette thèse.

Molecular identification and characterization of the Arabidopsis delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-coenzyme A isomerase, a peroxisomal enzyme participating in the beta-oxidation cycle of unsaturated fatty acids.

Degradation of unsaturated fatty acids through the peroxisomal beta-oxidation pathway requires the participation of auxiliary enzymes in addition to the enzymes of the core beta-oxidation cycle. The auxiliary enzyme delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-coenzyme A (CoA) isomerase has been well studied in yeast (Saccharomyces cerevisiae) and mammals, but no plant homolog had been identified and characterized at the biochemical or molecular level. A candidate gene (At5g43280) was identified in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) encoding a protein showing homology to the rat (Rattus norvegicus) delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase, and possessing an enoyl-CoA hydratase/isomerase fingerprint as well as aspartic and glutamic residues shown to be important for catalytic activity of the mammalian enzyme. The protein, named AtDCI1, contains a peroxisome targeting sequence at the C terminus, and fusion of a fluorescent protein to AtDCI1 directed the chimeric protein to the peroxisome in onion (Allium cepa) cells. AtDCI1 expressed in Escherichia coli was shown to have delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase activity in vitro. Furthermore, using the synthesis of polyhydroxyalkanoate in yeast peroxisomes as an analytical tool to study the beta-oxidation cycle, expression of AtDCI1 was shown to complement the yeast mutant deficient in the delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase, thus showing that AtDCI1 is also appropriately targeted to the peroxisome in yeast and has delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase activity in vivo. The AtDCI1 gene is expressed constitutively in several tissues, but expression is particularly induced during seed germination. Proteins showing high homology with AtDCI1 are found in gymnosperms as well as angiosperms belonging to the Monocotyledon or Dicotyledon classes.

Mechanism of HFR1 function in adaptive growth responses in "Arabidopsis thaliana"

AbstractPlants are sessile organisms, which have evolved an astonishing ability to sense changes in their environment. Depending on the surrounding conditions, such as changes in light and temperature, plants modulate the activity of important transcriptional regulators. The shade avoidance syndrome (SAS) is one important mechanism for shade-intolerant plants to adapt their growth in high vegetative density. In shaded conditions plants sense a diminished red/far-red ratio via the phytochrome system and respond with morphological changes such as elongation growth of stems and petioles. The Phytochrome Interacting Factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) are positive regulators of the SAS and required for a full response (Lorrain et al, 2008). They regulate the SAS by inducing the expression of shade avoidance marker genes such as PIL1, ATHB2, XTR7 and HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).I investigated the molecular mechanism underlying the regulation of the SAS by HFR1 (long Hypocotyl in FR light). Although HFR1 is a PIF-related bHLH transcription factor, we discovered that HFR1 is a non-DNA binding protein. Moreover, we revealed that HFR1 inhibits an exaggerated SAS by forming non-DNA binding heterodimers with PIF4 and PIF5 (Hornitschek et al, 2009). This negative feedback loop is an important mechanism to limit elongation growth also in elevated temperatures. HFR1 accumulation and activity are highly temperature-dependent and the increased activity of HFR1 at warmer temperatures also provides an important restraint on PIF4-driven elongation growth (Foreman et al, 2011).Finally we performed a genome-wide analysis to determine how PIF4 and PIF5 regulate growth in response to shade. We identified potential PIF5- target genes, which represent many well-known shade-responsive genes. Our analysis of gene expression also revealed a role of PIF4 and PIF5 in simulated sun possibly via the regulation of auxin sensitivity.RésuméLes plantes sont des organismes sessiles ayant développé une capacité surprenante à détecter des changements dans leur environnement. En fonction des conditions extérieures, telles que les variations de lumière ou de température, elles adaptent l'activité d'importants régulateurs transcriptionnels. Le syndrome d'évitement de l'ombre (SAS), est un mécanisme important pour les plantes intolérantes à l'ombre leur permettant d'adapter leur croissance lorsqu'elles se développent dans des conditions de végétations très denses. Dans ces conditions, les plantes détectent une réduction de la quantité relative de lumière rouge par rapport à la lumière rouge-lointain (rapport R/FR). Ce changement, perçu via le système des phytochromes, induit des modifications morphologiques telle qu'une élongation des tiges et des pétioles. Les protéines PIF4 et PIF5 (Phytochrome Interacting Factors) sont des régulateurs positifs du SAS et sont nécessaires pour une réponse complète (Lorrain et al, 2008). Ces facteurs de transcription régulent le SAS en induisant l'expression de gènes marqueurs de cette réponse tels que PIL1, ATHB2, XTR7 et HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).J'ai étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la régulation du SAS par HFR1 (long Hypocotyl in FR light). HFR1 est un facteur de transcription type bHLH de la famille des PIF, quoique nous ayons découvert que HFR1 est une protéine ne se liant pas à Γ ADN. Nous avons montré que HFR1 inhibe un SAS exagéré en formant des heterodimères avec PIF4 et PIF5 (Hornitschek et al, 2009). Nous avons également montré que cette boucle de régulation négative est également un mécanisme important pour limiter la croissance de l'élongation dans des conditions de fortes températures. De plus l'accumulation et l'activité de HFR1 augmentent avec la température ce qui permet d'inhiber plus fortement l'effet activateur de PIF4 sur la croissance.Enfin, nous avons effectué une analyse génomique à large échelle afin de déterminer comment PIF4 et PIF5 régulent la croissance en réponse à l'ombre. Nous avons identifié les gènes cibles potentiels de PIF5, correspondant en partie à des gènes connus dans la réponse de l'évitement de l'ombre. Notre analyse de l'expression des gènes a également révélé un rôle important de PIF4 et PIF5 dans des conditions de croissance en plein soleil, probablement via la régulation de la sensibilité à l'auxine.

Lipoxygenase 2 and the early steps of jasmonic acid biosynthesis in "Arabidopsis thaliana"

Résumé Les oxylipines, telles que l'acide jasmonique (AJ ou jasmonate), jouent un rôle central en réponse à la blessure et à la pathogenèse. De nombreuses études ont montré l'importance de la voie canonique du jasmonate lors de la défense des plantes. De plus, un précurseur cyclopentenone de l'AJ, l'acide oxo-phyto-dienoic (OPDA), a été impliqué comme jouant le rôle d'une molécule signal lors de la défense contre certains pathogènes. En utilisant des mutants bloqués dans la biosynthèse de l'acide jasmonique (aos) ou dans sa perception (coi1-1), nous avons cherché à définir dans quelle mesure l'OPDA joue un rôle de signal induisant l'expression génétique en réponse à la blessure chez Arabidopsis. A l'aide de puces à ADN (microarray), nous avons montré que les transcriptomes d'aos et de coi1-1 sont très semblables après blessure, ce qui suggère que les produits d'AOS sont tous perçus via COI1. Pourtant, lorsqu'on analyse les métabolites présents chez ces mutants, une différence est visible, puisque aos n'accumule pas d'AJ, alors que coi1-1 en accumule encore rapidement après blessure. Nous avons étudié la possibilité qu'un mécanisme de régulation post-traductionnelle sur la voie de biosynthèse du jasmonate explique l'accumulation d'AJ chez coi1-1 après blessure. La lipoxygenase 2 (LOX2) est la première enzyme impliquée dans la biosynthèse de l'AJ et est donc une cible potentielle d'un tel mécanisme. Un indice sur la manière dont l'activité LOX pourrait être régulée vient du mutant fou2 (pour fatty acid oxygenation upregcilated 2) dans lequel l'activité LOX ainsi que le niveau d'AJ sont constitutivement élevés. Cette mutation implique un flux de cation dans la régulation de la production de l'AJ. De plus, il a été montré que plusieurs LOXs, dans des organismes autres que des plantes, peuvent lier le calcium. Nous montrons que l'activité LOX requiert l'addition de cations divalents pour être maximale in vitro, et que non seulement le calcium mais aussi le magnésium joue ce rôle. De plus, nous caractérisons un mutant récessif de LOX2 chez Arabidopsis (lox2-1). Ces plantes sont fertiles, et une analyse quantitative montre qu'elles accumulent toujours un peu d'AJ après blessure. Ceci suggère que LOX2 n'est pas la seule LOX impliquée dans la synthèse d'AJ. Aussi les plantes lox2-1 ne sont pas plus sensibles que les plantes de type sauvage lorsqu'elles sont infectées par la moisissure Botrytis cinerea ou lorsqu'elles sont exposées à un détritivore, néanmoins elles sont plus sensibles lorsqu'elles sont offertes en nourriture à un insecte herbivore. Les insectes et les plantes ont co-évolué conjointement, ainsi une plante ne contenant qu'un niveau réduit d'AJ favorise l'insecte. La disponibilité d'un mutant avec un niveau intermédiaire d'AJ va permettre de mieux comprendre pourquoi les plantes produisent autant de jasmonate. Abstract Oxylipins such as jasmonic acid (JA) play central roles in the wound response and during pathogenesis and many studies have confirmed the important role of the canonical jasmonate pathway in plant defense. Moreover, the cyclopentenone precursor of JA, oxo-phytodienoic acid (OPDA), is also thought to function as a signaling molecule in defense towards some pathogens. Its action was reported to depend on a different signal pathway to JA. By using mutants blocked in the biosynthesis (aos) or perception (coil-1) of JA, we investigated to which extend OPDA works as signaling molecule to trigger gene expression in the wound response of Arabidopsis. Using microarrays, we showed that aos and coil-1 transcriptome are similar in response to wounding, suggesting that products of AOS are all perceived by COI1. However, we found a difference between the two mutants at the metobolomic level, since aos is devoid of JA, but coil-1 can still rapidly accumulate JA upon wounding. We investigated the possibility that the post-translational activation of JA biosynthesis could explain the fast accumulation of JA in coil-1 plants upon wounding. Lipoxygenase (LOX) 2 is the first enzyme implicated in JA synthesis and was thus chosen as a potential target for posttranslational regulation. A clue as to how LOX activity might be regulated came from the fatty acid oxygenation upregulated 2 (foul) mutant in which LOX activity and JA levels are elevated. The foul mutant implicates cations flux in the regulation of JA production, and several LOXs in organisms other than plants have been shown to bind calcium. We showed that Arabidopsis LOX requires divalent cations for full activity in vitro, and that not only calcium but also magnesium can play this role. Moreover, a single recessive mutant of AtLOX2 was characterized. These plants are fully fertile. Quantitative oxylipin analysis showed that lox2-1 can still accumulate some JA after wounding, which suggests that LOX2 is not the only LOX involved in JA biosynthesis. lox2-1 plants do not show altered susceptibility to the fungus Botrytis cinerea or to a detritivore, however, they are more susceptible to an insect herbivore. The insect and plants are closely co-evolved and a reduced ability to synthesize JA favors the insect. The availability of a lox2-1 mutant with intermediate JA levels will further help understanding why plants produce elevated JA levels.

Atomic Force Microscopy Stiffness Tomography on Living Arabidopsis thaliana Cells Reveals the Mechanical Properties of Surface and Deep Cell-Wall Layers during Growth.

Cell-wall mechanical properties play a key role in the growth and the protection of plants. However, little is known about genuine wall mechanical properties and their growth-related dynamics at subcellular resolution and in living cells. Here, we used atomic force microscopy (AFM) stiffness tomography to explore stiffness distribution in the cell wall of suspension-cultured Arabidopsis thaliana as a model of primary, growing cell wall. For the first time that we know of, this new imaging technique was performed on living single cells of a higher plant, permitting monitoring of the stiffness distribution in cell-wall layers as a function of the depth and its evolution during the different growth phases. The mechanical measurements were correlated with changes in the composition of the cell wall, which were revealed by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. In the beginning and end of cell growth, the average stiffness of the cell wall was low and the wall was mechanically homogenous, whereas in the exponential growth phase, the average wall stiffness increased, with increasing heterogeneity. In this phase, the difference between the superficial and deep wall stiffness was highest. FTIR spectra revealed a relative increase in the polysaccharide/lignin content.

Identification and functional characterization of auxiliary enzymes of the β-oxidation in " Arabidopsis thaliana "

Abstract: The ß-oxidation is the universal pathway that allows living organisms to degrade fatty acids. leading to lipid homeostasis and carbon and energy recovery from the fatty acid molecules. This pathway is centred on four core enzymatic activities sufficient to degrade saturated fatty acids. Additional auxiliary enzymes of the ß-oxidation are necessary for the complete degradation of a larger array of molecules encompassing the unsaturated fatty acids. The main pathways of the ßoxidation of fatty acids have been investigated extensively and auxiliary enzymes are well-known in mammals and yeast. The comparison of the established ß-oxidation systems suggests that the activities that are required to proceed to the full degradation of unsaturated fatty acids are present regardless of the organism and rely on common active site templates. The precise identity of the plant enzymes was unknown. By homology searches in the genome of Arabidopsis thaliana, I identified genes. encoding for proteins that could be orthologous to the yeast or animal auxiliary enzymes Δ 3, Δ 2-enoyl-CoA isomerase, Δ 3,5, Δ 2,4 -dienoyl-CoA isomerase, and type 2 enoyl-CoA hydratase. I established that these genes are expressed in Arabidopsis and that their expression can be correlated to the expression of core ß-oxidation genes. Through the observation of chimeric fluorescent protein fusions, I demonstrated that the identified proteins are localized in the peroxisóme, the only organelle where the ß-oxidation occurs in plants. Enzymatic assays were performed with the partially purified enzymes to demonstrate that the identified enzymes can catalyze the same in vitro reactions as their non-plant orthologs. The activities in vivo of the plant enzymes were demonstrated by heterologous complementation of the corresponding yeast Saccharomyces cerevisiae mutants. The complementation was visualized using the artificial polyhydroxyalkanoate (PHA) production in yeast peroxisomes. The recombinant strains, expressing a Pseudomonas aeruginosa PHA synthase modified for a peroxisomal localization, produce this polymer that serves as a trap for the 3-hydroxyacyl-CoA intermediaries of the ßoxidation and that reflects qualitatively and quantitatively the array of molecules that are processed through the ß-oxidation. This complementation demonstrated the implication of the plant Δ 3, Δ 2-enoyl-CoA isomerases and Δ3,5, Δ2,4-dienoyl-CoA isomerase in the degradation of odd chain position unsaturated fatty acids. The presence of a monofunctional type 2 enoyl-CoA hydratase is a novel in eukaryotes. Downregulation of the corresponding gene expression in an Arabidopsis line, modified to produce PHA in the peroxisome, demonstrated thàt this enzyme participates in vivo to the conversion of the intermediate 3R-hydroxyacyl-CoA, generated by the metabolism of fatty acids with a cis (Z)-unsaturated bond on an even-numbered carbon, to the 2Eenoyl-CoA for further degradation through the core ß-oxidation cycle. Résumé: La ß-oxydation est une voie universelle de dégradation des acides gras qui permet aux organismes vivants d'assurer une homéostasie lipidique et de récupérer l'énergie et le carbone contenus dans les acides gras. Le coeur de cette voie est composé de quatre réactions enzymatiques suffisantes à la dégradation des acides gras saturés. La présence des enzymes auxiliaires de la ß-oxydation est nécessaire à la dégradation d'une gamme plus étendue de molécules comprenant les acides gras insaturés. Les voies principales de la ß-oxydation des acides gras ont été étudiées en détail et les enzymes auxiliaires sont déterminées chez les mammifères et la levure. La comparaison entre les systèmes de ß-oxydation connus suggère que les activités requises pour la dégradation complète des acides gras insaturés reposent sur la présence de site actifs similaires. L'identité précise des enzymes auxiliaires chez les plantes était inconnue. En cherchant par homologie dans le génome de la plante modèle Arabidopsis thaliana, j'ai identifié des gènes codant pour des protéines pouvant être orthologues aux enzymes auxiliaires Δ3 Δ2-enoyl-CoA isomérase, Δ 3,5 Δ 2,4-dienoyl-CoA isomérase et enoyl-CoA hydratase de type 2 d'origine fongique ou mammalienne. J'ai établi la corrélation de l'expression de ces gènes dans Arabidopsis avec celle de gènes des enzymes du coeur de la ß-oxydation. En observant des chimères de fusion avec des protéines fluorescentes, j'ai démontré que les protéines identifiées sont localisées dans le péroxysomes, le seul organelle où la ß-oxydation se déroule chez les plantes. Des essais enzymatiques ont été conduits avec ces enzymes partiellement purifiées pour démontrer que les enzymes identifiées sont capables de catalyser in vitro les mêmes réactions que leurs orthologues non végétaux. Les activités des enzymes végétales in vivo ont été .démontrées par complémentation hétérologue des mutants de délétion correspondants de levure Saccharomyces cerevisiae. La visualisation de la complémentation est rendue possible par la synthèse de polyhydroxyalcanoate (PHA) dans les péroxysomes de levure. Les souches recombinantes expriment la PHA synthase de Pseudomonas aeruginosa modifiée pour être localisée dans le péroxysome produisent ce polymère qui sert de piège pour les 3-hydroxyacylCoAs intermédiaires de la ß-oxydation et qui reflète qualitativement et quantitativement la gamme de molécules qui subit la ß-oxydation. Cette complémentation a permis de démontrer que les Δ3, Δ2-enoyl-CoA isomérases, et la Δ3.5, Δ2,4-dienoyl-CoA isomérase végétales sont impliquées dans la dégradation des acides gras insaturés en position impaire. L'enoyl-CoA hydratase de type 2 monofonctionelle est une enzyme nouvelle chez les eucaryotes. La sous-expression du gène correspondant dans une lignée d'Arabidopsis modifiée pour produite du PHA dans le péroxysome a permis de démontrer que cette enzyme participe in vivo à la dégradation des acides gras ayant une double liaison en conformation cis (Z) en position paire.

Light intensity modulates the regulatory network of the shade avoidance response in Arabidopsis.

Plants such as Arabidopsis thaliana respond to foliar shade and neighbors who may become competitors for light resources by elongation growth to secure access to unfiltered sunlight. Challenges faced during this shade avoidance response (SAR) are different under a light-absorbing canopy and during neighbor detection where light remains abundant. In both situations, elongation growth depends on auxin and transcription factors of the phytochrome interacting factor (PIF) class. Using a computational modeling approach to study the SAR regulatory network, we identify and experimentally validate a previously unidentified role for long hypocotyl in far red 1, a negative regulator of the PIFs. Moreover, we find that during neighbor detection, growth is promoted primarily by the production of auxin. In contrast, in true shade, the system operates with less auxin but with an increased sensitivity to the hormonal signal. Our data suggest that this latter signal is less robust, which may reflect a cost-to-robustness tradeoff, a system trait long recognized by engineers and forming the basis of information theory.

Casparian strip diffusion barrier in Arabidopsis is made of a lignin polymer without suberin.

Casparian strips are ring-like cell-wall modifications in the root endodermis of vascular plants. Their presence generates a paracellular barrier, analogous to animal tight junctions, that is thought to be crucial for selective nutrient uptake, exclusion of pathogens, and many other processes. Despite their importance, the chemical nature of Casparian strips has remained a matter of debate, confounding further molecular analysis. Suberin, lignin, lignin-like polymers, or both, have been claimed to make up Casparian strips. Here we show that, in Arabidopsis, suberin is produced much too late to take part in Casparian strip formation. In addition, we have generated plants devoid of any detectable suberin, which still establish functional Casparian strips. In contrast, manipulating lignin biosynthesis abrogates Casparian strip formation. Finally, monolignol feeding and lignin-specific chemical analysis indicates the presence of archetypal lignin in Casparian strips. Our findings establish the chemical nature of the primary root-diffusion barrier in Arabidopsis and enable a mechanistic dissection of the formation of Casparian strips, which are an independent way of generating tight junctions in eukaryotes.

Molecular genetic framework for protophloem formation.

The phloem performs essential systemic functions in tracheophytes, yet little is known about its molecular genetic specification. Here we show that application of the peptide ligand CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) specifically inhibits specification of protophloem in Arabidopsis roots by locking the sieve element precursor cell in its preceding developmental state. CLE45 treatment, as well as viable transgenic expression of a weak CLE45(G6T) variant, interferes not only with commitment to sieve element fate but also with the formative sieve element precursor cell division that creates protophloem and metaphloem cell files. However, the absence of this division appears to be a secondary effect of discontinuous sieve element files and subsequent systemically reduced auxin signaling in the root meristem. In the absence of the formative sieve element precursor cell division, metaphloem identity is seemingly adopted by the normally procambial cell file instead, pointing to possibly independent positional cues for metaphloem formation. The protophloem formation and differentiation defects in brevis radix (brx) and octopus (ops) mutants are similar to those observed in transgenic seedlings with increased CLE45 activity and can be rescued by loss of function of a putative CLE45 receptor, BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). Conversely, a dominant gain-of-function ops allele or mild OPS dosage increase suppresses brx defects and confers CLE45 resistance. Thus, our data suggest that delicate quantitative interplay between the opposing activities of BAM3-mediated CLE45 signals and OPS-dependent signals determines cellular commitment to protophloem sieve element fate, with OPS acting as a positive, quantitative master regulator of phloem fate.

A downstream mediator in the growth repression limb of the jasmonate pathway.

Wounding plant tissues initiates large-scale changes in transcription coupled to growth arrest, allowing resource diversion for defense. These processes are mediated in large part by the potent lipid regulator jasmonic acid (JA). Genes selected from a list of wound-inducible transcripts regulated by the jasmonate pathway were overexpressed in Arabidopsis thaliana, and the transgenic plants were then assayed for sensitivity to methyl jasmonate (MeJA). When grown in the presence of MeJA, the roots of plants overexpressing a gene of unknown function were longer than those of wild-type plants. When transcript levels for this gene, which we named JASMONATE-ASSOCIATED1 (JAS1), were reduced by RNA interference, the plants showed increased sensitivity to MeJA and growth was inhibited. These gain- and loss-of-function assays suggest that this gene acts as a repressor of JA-inhibited growth. An alternative transcript from the gene encoding a second protein isoform with a longer C terminus failed to repress jasmonate sensitivity. This identified a conserved C-terminal sequence in JAS1 and related genes, all of which also contain Zim motifs and many of which are jasmonate-regulated. Both forms of JAS1 were found to localize to the nucleus in transient expression assays. Physiological tests of growth responses after wounding were consistent with the fact that JAS1 is a repressor of JA-regulated growth retardation.

Measuring the diurnal pattern of leaf hyponasty and growth in Arabidopsis - a novel phenotyping approach using laser scanning

Plants forming a rosette during their juvenile growth phase, such as Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., are able to adjust the size, position and orientation of their leaves. These growth responses are under the control of the plants circadian clock and follow a characteristic diurnal rhythm. For instance, increased leaf elongation and hyponasty - defined here as the increase in leaf elevation angle - can be observed when plants are shaded. Shading can either be caused by a decrease in the fluence rate of photosynthetically active radiation (direct shade) or a decrease in the fluence rate of red compared with far-red radiation (neighbour detection). In this paper we report on a phenotyping approach based on laser scanning to measure the diurnal pattern of leaf hyponasty and increase in rosette size. In short days, leaves showed constitutively increased leaf elevation angles compared with long days, but the overall diurnal pattern and the magnitude of up and downward leaf movement was independent of daylength. Shade treatment led to elevated leaf angles during the first day of application, but did not affect the magnitude of up and downward leaf movement in the following day. Using our phenotyping device, individual plants can be non-invasively monitored during several days under different light conditions. Hence, it represents a proper tool to phenotype light- and circadian clock-mediated growth responses in order to better understand the underlying regulatory genetic network.

Maladaptive exploratory behavior and neuropathology of the PS-1 P117L Alzheimer transgenic mice.

Patients with the early-onset Alzheimer's disease P117L mutation in the presenilin-1 gene (PS-1) present pathological hallmarks in the hippocampus, the frontal cortex and the basal ganglia. In the present work we determined by immunohistochemistry which brain regions were injured in the transgenic PS-1 P117L mice, in comparison to their littermates, the B6D2 mice. Furthermore, as these regions are involved in novelty detection, we investigated the behavior of these mice in tests for object and place novelty recognition. Limited numbers of senile plaques and neurofibrillary tangles were detected in aged PS-1 P117L mice in the CA1 only, indicating that the disease is restrained to an initial neuropathological stage. Western blots showed a change in PSD-95 expression (p=0.03), not in NR2A subunit, NR2B subunit and synaptophysin expressions in the frontal cortex, suggesting specific synaptic alterations. The behavioral tests repeatedly revealed, despite a non-significant preference for object or place novelty, maladaptive exploratory behavior of the PS-1 P117L mice in novel environmental conditions, not due to locomotor problems. These mice, unlike the B6D2 mice, were less inhibited to visit the center of the cages (p=0.01) and they continued to move excessively in the presence of a displaced object (p=0.021). Overall, the PS-1 P117L mice appear to be in an initial Alzheimer's disease-like neuropathological stage, and they showed a lack of reaction toward novel environmental conditions.

Coordination between zinc and phosphate homeostasis involves the transcription factor PHR1, the phosphate exporter PHO1, and its homologue PHO1;H3 in Arabidopsis.

Interactions between zinc (Zn) and phosphate (Pi) nutrition in plants have long been recognized, but little information is available on their molecular bases and biological significance. This work aimed at examining the effects of Zn deficiency on Pi accumulation in Arabidopsis thaliana and uncovering genes involved in the Zn-Pi synergy. Wild-type plants as well as mutants affected in Pi signalling and transport genes, namely the transcription factor PHR1, the E2-conjugase PHO2, and the Pi exporter PHO1, were examined. Zn deficiency caused an increase in shoot Pi content in the wild type as well as in the pho2 mutant, but not in the phr1 or pho1 mutants. This indicated that PHR1 and PHO1 participate in the coregulation of Zn and Pi homeostasis. Zn deprivation had a very limited effect on transcript levels of Pi-starvation-responsive genes such as AT4, IPS1, and microRNA399, or on of members of the high-affinity Pi transporter family PHT1. Interestingly, one of the PHO1 homologues, PHO1;H3, was upregulated in response to Zn deficiency. The expression pattern of PHO1 and PHO1;H3 were similar, both being expressed in cells of the root vascular cylinder and both localized to the Golgi when expressed transiently in tobacco cells. When grown in Zn-free medium, pho1;h3 mutant plants displayed higher Pi contents in the shoots than wild-type plants. This was, however, not observed in a pho1 pho1;h3 double mutant, suggesting that PHO1;H3 restricts root-to-shoot Pi transfer requiring PHO1 function for Pi homeostasis in response to Zn deficiency.