Uncoupling phosphate deficiency from its major effects on growth and transcriptome via PHO1 expression in Arabidopsis.

Inorganic phosphate (Pi) is one of the most limiting nutrients for plant growth in both natural and agricultural contexts. Pi-deficiency leads to a strong decrease in shoot growth, and triggers extensive changes at the developmental, biochemical and gene expression levels that are presumably aimed at improving the acquisition of this nutrient and sustaining growth. The Arabidopsis thaliana PHO1 gene has previously been shown to participate in the transport of Pi from roots to shoots, and the null pho1 mutant has all the hallmarks associated with shoot Pi deficiency. We show here that A. thaliana plants with a reduced expression of PHO1 in roots have shoot growth similar to Pi-sufficient plants, despite leaves being strongly Pi deficient. Furthermore, the gene expression profile normally triggered by Pi deficiency is suppressed in plants with low PHO1 expression. At comparable levels of shoot Pi supply, the wild type reduces shoot growth but maintains adequate shoot vacuolar Pi content, whereas the PHO1 underexpressor maintains maximal growth with strongly depleted Pi reserves. Expression of the Oryza sativa (rice) PHO1 ortholog in the pho1 null mutant also leads to plants that maintain normal growth and suppression of the Pi-deficiency response, despite the low shoot Pi. These data show that it is possible to unlink low shoot Pi content with the responses normally associated with Pi deficiency through the modulation of PHO1 expression or activity. These data also show that reduced shoot growth is not a direct consequence of Pi deficiency, but is more likely to be a result of extensive gene expression reprogramming triggered by Pi deficiency.

Expression analyses of three members of the AtPHO1 family reveal differential interactions between signaling pathways involved in phosphate deficiency and the responses to auxin, cytokinin, and abscisic acid.

The PHO1 protein is involved in loading inorganic phosphate (Pi) to the root xylem. Ten genes homologous to AtPHO1 are present in the Arabidopsis thaliana (L.) Heyn genome. From this gene family, transcript levels of only AtPHO1, AtPHO1;H1 and AtPHO1;H10 were increased by Pi-deficiency. While the up-regulation of AtPHO1;H1 and AtPHO1;H10 by Pi deficiency followed the same rapid kinetics and was dependent on the PHR1 transcription factor, phosphite only strongly suppressed the expression of AtPHO1;H1 and had a minor effect on AtPHO1;H10. Addition of sucrose was found to increase transcript levels of both AtPHO1 and AtPHO1;H1 in Pi-sufficient or Pi-deficient plants, but to suppress AtPHO1:H10 under the same conditions. Treatments of plants with auxin or cytokinin had contrasting effect depending on the gene and on the Pi status of the plants. Thus, while both hormones down-regulated expression of AtPHO1 independently of the plant Pi status, auxin and cytokinin up-regulated AtPHO1;H1 and AtPHO1;H10 expression in Pi-sufficient plants and down-regulated expression in Pi-deficient plants. Treatments with abscisic acid inhibited AtPHO1 and AtPHO1;H1 expression in both Pi-sufficient and Pi-deficient plants, but increased AtPHO1;H10 expression under the same conditions. The inhibition of expression by abscisic acid of AtPHO1 and AtPHO1;H1, and of the Pi-starvation responsive genes AtPHT1;1 and AtIPS1, was dependant on the ABI1 type 2C protein phosphatase. These results reveal that various levels of cross talk between the signal transduction pathways to Pi, sucrose and phytohormones are involved in the regulation of expression of the three AtPHO1 homologues.

Les biomarqueurs dans la maladie de Fabry: relation entre Sphingosine-1 phosphate et Lyso-Gb3

Problématique : La maladie de Fabry est une maladie métabolique à stockage lysosomal. C'est une maladie héreditaire à transmission récessive qui concerne l'enzyme alpha-Galactosidase A. Le gène de l'alpha-Galactosidase A (GLA) se trouve au niveau du bras long du chromosome X «carté en Xq21.33-Xq22 ». L'enzyme muté ne recouvre plus son rôle catabolisateur et il ne métabolise pas le substrat globotriaosylceramide (Gb3). Par conséquence le Gb3 s'accumule dans tous les tissus. Dans les parois des vaisseaux sanguins le Gb3 s'accumule dans l'endothelium, la tunique interne des vaisseaux sanguins. Ce déficit métabolique se traduit par l'épaississement de la paroi vasculaire, des processus d'infarctus et ischémies du tissu cardiaque, rénal et cérébral. L'implication cardiaque de la maladie de Fabry est décrite chez plus de 78% des patients affectés par la maladie et se manifeste par une hypertrophie cardiaque du ventricule gauche. Toutefois, il n'existe pas de relation étroite entre hypertrophie cardiaque et le Gb3. La sphingosine 1-phosphate à été identifiée dans notre laboratoire et proposée comme facteur de croissance à l'origine du remodelage cardiovasculaire. De plus, la Globotriaosylsphingosine (Lyso-Gb3) à été aussi proposée comme facteur vasoactif chez les patients Fabry. Objectif : L'identification d'un biomarqueur pour le diagnostic et le suivi thérapeutique de la maladie de Fabry représente une domaine d'investigation active en recherche scientifique. Le Gb3 plasmatique ou dans les urines, la biopsie rénale ou cardiaque qui est mis en évidence grâce à la microscopie électronique sous forme de corps concentrique lamellaires, constituent les biomarqueurs classiques de la maladie de Fabry. Dernièrement, le Lyso-Gb3 et le Sphingosine-1 phosphate (S1P) ont été proposés comme marqueurs du remodelage cardiovasculaire. Le but de ce travail est de rassembler et de discuter la littérature concernant ces nouveaux marqueurs et, d'étudier une possible interaction entre Lyso-Gb3 et le S1P. Méthodologie : Rassembler la littérature scientifique et analyser l'implication de ces marqueurs dans la maladie de Fabry et leur effets cardiovasculaires. De plus, un travail expérimental est effectué. Ce travail consiste en l'identification d'une relation possible entre le Lyso-Gb3 et le S1P. Résultats : Avec ce travail on a cherché à actualiser et mettre à jour les notions concernant les biomarqueurs qui prennent place dans cette pathologie et les connaissances qu'on possède à ce jour sur les manifestations cardiovasculaires et neurologiques.La recherche d'un biomarqueur prime par le fait qu'un nombre considerable de patients est sous-diagnostiqués pour la maladie de Fabry et que entre les taux de substrat enzymatique accumulé dans les tissus et l'hypertrophie cardiaque, on peut constater une discordance. Grâce à ce travail expérimental, on a exclue la possibilité d'un effet précurseur du lyso-Gb3 pour le S1P. Nous avons montré que le Lyso-Gb3 est reconnu par les récepteurs du S1P avec des effets commun pour les S1P1-3 et différents pour le S1P2. Les taux du Lyso-Gb3 et du S1P doivent être mesuré chez les patients Fabry et une stratégie thérapeutique doit prendre en compte le rapport S1P/Lyso-Gb3.

PA21, a New Iron-Based Noncalcium Phosphate Binder, Prevents Vascular Calcification in Chronic Renal Failure Rats.

Chronic renal failure (CRF) is associated with the development of secondary hyperparathyroidism and vascular calcifications. We evaluated the efficacy of PA21, a new iron-based noncalcium phosphate binder, in controlling phosphocalcic disorders and preventing vascular calcifications in uremic rats. Rats with adenine-diet-induced CRF were randomized to receive either PA21 0.5, 1.5, or 5% or CaCO3 3% in the diet for 4 weeks, and were compared with uremic and nonuremic control groups. After 4 weeks of phosphate binder treatment, serum calcium, creatinine, and body weight were similar between all CRF groups. Serum phosphorus was reduced with CaCO3 3% (2.06 mM; P ≤ 0.001), PA21 1.5% (2.29 mM; P < 0.05), and PA21 5% (2.21 mM; P ≤ 0.001) versus CRF controls (2.91 mM). Intact parathyroid hormone was strongly reduced in the PA21 5% and CaCO3 3% CRF groups to a similar extent (1138 and 1299 pg/ml, respectively) versus CRF controls (3261 pg/ml; both P ≤ 0.001). A lower serum fibroblast growth factor 23 concentration was observed in the PA21 5%, compared with CaCO3 3% and CRF, control groups. PA21 5% CRF rats had a lower vascular calcification score compared with CaCO3 3% CRF rats and CRF controls. In conclusion, PA21 was as effective as CaCO3 at controlling phosphocalcic disorders but superior in preventing the development of vascular calcifications in uremic rats. Thus, PA21 represents a possible alternative to calcium-based phosphate binders in CRF patients.

The emerging importance of the SPX domain-containing proteins in phosphate homeostasis

Plant growth and development are strongly influenced by the availability of nutrients in the soil solution. Among them, phosphorus (P) is one of the most essential and most limiting macro-elements for plants. In the environment, plants are often confronted with P starvation as a result of extremely low concentrations of soluble inorganic phosphate (Pi) in the soil. To cope with these conditions, plants have developed a wide spectrum of mechanisms aimed at increasing P use efficiency. At the molecular level, recent studies have shown that several proteins carrying the SPX domain are essential for maintaining Pi homeostasis in plants. The SPX domain is found in numerous eukaryotic proteins, including several proteins from the yeast PHO regulon, involved in maintaining Pi homeostasis. In plants, proteins harboring the SPX domain are classified into four families based on the presence of additional domains in their structure, namely the SPX, SPX-EXS, SPX-MFS and SPX-RING families. In this review, we highlight the recent findings regarding the key roles of the proteins containing the SPX domain in phosphate signaling, as well as providing further research directions in order to improve our knowledge on P nutrition in plants, thus enabling the generation of plants with better P use efficiency.

Exudative mineral losses after serious burns: a clue to the alterations of magnesium and phosphate metabolism.

Hypomagnesemia and hypophosphatemia are frequent after severe burns; however, increased urinary excretion does not sufficiently explain the magnitude of the mineral depletion. We measured the mineral content of cutaneous exudates during the first week after injury. Sixteen patients aged 34 +/- 9 y (mean +/- SD) with thermal burns were studied prospectively and divided in 3 groups according to the extent of their burn injury and the presence or absence of mineral supplements: group 1 (n = 5), burns covering 26 +/- 5% of body surface; group 2 (n = 6), burns covering 41 +/- 10%; and group 3 (n = 5), burns covering 42 +/- 6% with prescription of magnesium and phosphate supplements. Cutaneous exudates were extracted from the textiles (surgical drapes, dressings, sheets, etc) surrounding the patients from day 1 to day 7 after injury. Mean magnesium serum concentrations decreased below reference ranges in 12 patients between days 1 and 4 and normalized thereafter. Phosphate, normal on day 0, was low during the first week. Albumin concentrations, normal on day 0, decreased and remained low. Urinary magnesium and phosphate excretion were within reference ranges and not larger in group 3. Mean daily cutaneous losses were 16 mmol Mg/d and 11 mmol P/d (largest in group 2). Exudative magnesium losses were correlated with burn severity (r = 0.709, P = 0.003). Cutaneous magnesium losses were nearly four times larger than urinary losses whereas cutaneous phosphate losses were smaller than urinary phosphate losses. Mean daily losses of both magnesium and phosphate were more than the recommended dietary allowances. Exudative losses combined with urinary losses largely explained the increased mineral requirements after burn injury.

Hydrogen isotope fractionations between amphiboles, micas, and fluids in alkaline igneous intrusions

RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les teneurs des amphiboles en éléments majeurs et en isotopes stables ont été analysées dans plusieurs complexes ignés alcalins et hyperalcalins, dans le but de déterminer l'importance des variations de composition des minéraux pour le fractionnement isotopique de l'hydrogène dans un système naturel minéral-magma-fluide. Cette étude se concentre principalement sur les syénites néphéliniques de complexes intrusifs alcalins bien connus mais à chimie variable, dont les amphiboles, ainsi que d'autres silicates hydratés tels que micas et eudialytes, lorsque cela était possible, ont été séparés. L'intérêt principal s'est porté sur le complexe alcalin d'Ilímaussaq de la Province du Gardar, au Sud du Groenland. Dans une optique de comparaison, nous avons collecté et analysé d'autres échantillons provenant du complexe de Tugtutôq (Sud Groenland), des complexes de Khibina et Lovozero (Péninsule de Kola, Russie), du Mont St-Hilaire et du Mont Royal (Canada) et de 6 autres du nord-ouest de la Namibie (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld,et Okorusu). Les compositions isotopiques de l'hydrogène des amphiboles des ces différentes zones présentent de grandes variations (-227 à -700/00), ce qui est atypique pour des magmas d'origine mantellique. Les valeurs comprises entre -80 et -400/00 indiquent une provenance du manteau. Ces larges variations de compositions ainsi que l'extrême appauvrissement en isotope lourd de l'hydrogène (D), en comparaison avec d'autres roches ignées, semblent être propres.aux roches alcalines et hyperalcalines de ce type, ce qui indiquerait un processus commun. Les différents complexes alcalins choisis présentent un large intervalle de composition chimique des amphiboles. La caractérisation des amphiboles par microscopie électronique et par spectroscopie Mössbauer contribuent à observer le contrôle du Fe sur le fractionnement des isotopes de l'hydrogène. En effet, cela a mis en évidence un contrôle du Fe sur le fractionnement et même, dans le cas du complexe hyperalcalin d'Ilímaussaq, une relation entre le rapport Fei3+/FeT et les variations du rapport D/H. Les complexes étudiés diffèrent de par leur index agpaïtique (Na+K/Al) et également de par leur contenu en fer. Les plus hautes valeurs en Fe (27-35 wt%) et en éléments alcalins dans les amphiboles, ainsi que les teneurs de D/H les plus basses et leur grande variation, sont celles du complexe d'Ilímaussaq. Les amphiboles de la Péninsule de Kola et du Canada sont similaires, mais toutefois moins appauvries en D. En ce qui concerne les amphiboles des complexes du NO de la Namibie, elles présentent des compositions isotopiques de l'hydrogène magmatiques normales (-73 à -100 0/00), contiennent moins de Fe (15-17 wt%) et sont fortement enrichies en Ca et moins en Na. Dans ce cas, l'alcalinité est moins importante en comparaison des autres complexes étudiés. En dehors des teneurs en éléments alcalins des amphiboles, l'alcalinité des fluides s'avère également un facteur important, ce qui est cohérent avec certaines suggestions à partir de systèmes expérimentaux. Afin de mieux contraindre ce facteur, des expériences d'échanges hydrothermaux entre les amphiboles et les fluides de salinité différente ont été effectuées en simulant des conditions naturelles. L'approximation d'amphiboles naturelles de complexes ignés alcalins, couplée aux expériences d'échange, aide à préciser les facteurs contrôlant le fractionnement des isotopes de l'hydrogène dans les roches alcalines. Les valeurs extrêmement basses de 3D des amphiboles de ces complexes alcalins peuvent être dues à une combinaison de différents facteurs, telles qu'une haute alcalinité, une haute teneur en Fe et une faible profondeur d'intrusion. Les grandes variations ainsi que les faibles valeurs de SD des amphiboles étudiées peuvent résulter d'un processus magmatique interne et il est peu probable que de l'eau météorique soit impliquée et/ou que le dégazage magmatique ait joué un rôle. THESIS ABSTRACT Major element and stable isotope compositions of amphiboles were analyzed from a number of alkaline and peralkaline igneous complexes in order to determine the importance of compositional variations in minerals to hydrogen isotope fractionations in natural mineral-melt-fluid systems. The thesis mainly focuses on nepheline syenites of well-studied, but chemically variable alkaline intrusive rocks, from which amphiboles and, if possible, other hydrous silicates such as micas and eudialytes were separated. The system of primary interest was the alkaline Ilímaussaq Complex of the Gardar Province of South Greenland. For the purpose of comparison additional samples were collected and examined from the Tugtutôq Complex (South Greenland), the Khibina and Lovozero Complexes (Kola Peninsular, Russia), Mount St-Hilaire and Mount Royal (Canada) and six further complexes from NW Namibia (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld, and Okorusu). The hydrogen isotope compositions of amphiboles from the localities studied differ greatly, which is atypical for amphiboles from mantle, range between - 227 and - 700/00 (latter compatible with a simple mantle origin). As this wide range in compositions and the extreme depletion in the heavy hydrogen isotope (D) content relative to other igneous rocks appear to be unique to alkaline to peralkaline rocks of this type, a common process is indicated. The different alkaline complexes chosen cover a wide range of amphibole chemical compositions. Detailed chemical characterization of amphiboles by electron microprobe and Mössbauer spectroscopy analyses helped to constrain the control of Fe on the H-isotope fractionations. Complete characterization of the chemical compositions of the amphiboles support Fe-control on fractionations and at least for the peralkaline Ilímaussaq complex a relationship between Fe3+/FeT ratios and variations in D/H. The studied complexes differ in their agpaitic index (Na+K/Al) and also in their Fe-content. The most iron (27-35 wt. %) and alkaline element rich amphiboles, with the lowermost D/H ratio, as well with very wide range, are the ones from Ilímaussaq complex. Similar, but less D depleted amphiboles are from the Kola Peninsula and the Canadian localities. The complexes described from NW Namibia have amphiboles with normal magmatic hydrogen isotope composition (-730/00 to -1000/00), and have less Fe-content (15-17 wt. %), and are more Ca-and less Na-rich. In this case alkalinity is not that important in comparison to the other studied complexes. Beside the alkaline element contents in the amphiboles, the alkalinity of the fluids has been found to be an important factor, in conjunction with earlier suggestions from experimental systems. To further constrain this factor, hydrothermal exchange experiments between amphiboles and fluids of different salinity simulating natural conditions were performed. The approach of examining natural amphiboles from alkaline igneous complexes in parallel to performing exchange experiments - helped to further constrain the factors controlling the H-isotope fractionations in alkaline rocks. The observed changes between the hydrogen and oxygen isotope compositions of amphiboles and fluids before and after the experiments suggest that another phase was produced during the experiments, which influenced the final hydrogen isotope composition of the system. This presumably hydrous phase has also influenced the Fe3 +/Fe2+ ratio of the amphiboles, which became more oxidized. The extremely low SD values of amphiboles in these alkaline complexes may be due to a combination of different factors such as high alkalinity, high Fe-content, and shallow intrusion depths. This wide range and the low SD values of the amphiboles studied might be a result of internal, magmatic processes and it is unlikely that meteoric water was involved and/or magmatic degassing played an important role. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (pour le grand public) Fractionnement isotopique de l'hydrogène entre amphiboles, micas et fluides dans des intrusions alcalines Zsófia Wáczek Directeur de thèse, Prof. Torsten W. Vennemann Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne Les roches alcalines et celles qui leurs sont associées sont des sources importantes de nombreux minéraux et minerais, tels l'apatite, le niobium, le diamant et autres pierres précieuses. Cette étude se concentre sur des complexes alcalins localisés dans le sud du Groenland, au Canada, dans la péninsule de Kola en Russie et au nord-ouest de la Namibie. Ces complexes sont composés de roches ayant cristallisé à partir de magmas et de fluides très enrichis en alcalins. Cet enrichissement permet la précipitation de minéraux inhabituels riches en potassium et/ou sodium, telles les amphiboles sodiques, également enrichies en fer. Les amphiboles étudiées ont des compositions calciques, sodi-calciques et sodiques, qui reflètent leurs différents environnements de formation. Des études précédentes ont révélé une large gamme de rapports isotopiques de l'hydrogène dans les amphiboles de roches hyperalcalines, dont certains extrêmement bas. Cette variation importante est très intrigante, sachant que des valeurs entre -40 et -800/00 correspondent à des silicates ignés hydratés et non altérés, alors que des valeurs descendant jusqu'a -1500/00 nécessiteraient une altération par de l'eau météorique et/ou une contamination par les roches environnantes ou des sédiments riches en matière organique. Dans lé cas précis du complexe d'Ilímaussaq (sud du Groenland), aucune de ces explications n'a pu être démontrée et des valeurs encore plus faibles ont été trouvées. Le complexe d'Ilímaussaq présente des valeurs de rapport isotopique de l'hydrogène entre -227 et -500/00 dans les amphiboles. Une origine mantellique permet d'expliquer les valeurs élevées, mais d'autres processus doivent entrer en jeu pour engendrer les valeurs les plus négatives. C'est à l'identification de ces processus que nous nous sommes attachés dans ce travail. Les grandes variations observées dans les teneurs en fer et dans le rapport Fe3+/FeT des roches et des minéraux de ces complexes sont corrélées avec d'autres paramètres chimiques, tels que la composition isotopique de l'hydrogène dans les amphiboles. Nous avons dès lors abordé les questions suivantes: quelle est la relation entre la teneur en fer des amphiboles et leur composition isotopique? Que nous apprennent les changements de la teneur en fer et les changements dans le rapport Fe3+/FeT sur les processus pétrologiques dans ces roches? Pour répondre à ces questions, nous avons analysé les compositions isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène dans les amphiboles et d'autres silicates hydratés. La composition chimique et le rapport Fe3+/FeT des amphiboles ont également été déterminés. Des expériences hydrothermales simulant des conditions naturelles ont été entreprises afin de mieux comprendre les processus de fractionnement isotopiques dans ces systèmes très alcalins. Nos conclusions sont les suivantes: (1) Les valeurs extrêmement faibles ainsi que les larges variations des rapports isotopiques de l'hydrogène des amphiboles de ces complexes alcalins sont dues à une combinaison de facteurs tels que la forte alcalinité, la haute teneur en fer et la profondeur très faible de l'intrusion. (2) Ces valeurs sont probablement le résultat de processus magmatiques internes. (3) Il est peu probable que les eaux météoriques et/ou le dégazage magmatique aient joué un rôle lors de la formation de ces amphiboles. (4) Certaines corrélations, en accord avec les études précédentes, ont pu être trouvées au niveau des concentrations en fer. (5) Dans le cas du complexe d'Ilímaussaq exclusivement, une relation a été trouvée entre le rapport Fe3+/FeT et la composition isotopique de l'hydrogène des amphiboles.

Novel acid phosphatase in Candida glabrata suggests selective pressure and niche specialization in the phosphate signal transduction pathway.

Evolution through natural selection suggests unnecessary genes are lost. We observed that the yeast Candida glabrata lost the gene encoding a phosphate-repressible acid phosphatase (PHO5) present in many yeasts including Saccharomyces cerevisiae. However, C. glabrata still had phosphate starvation-inducible phosphatase activity. Screening a C. glabrata genomic library, we identified CgPMU2, a member of a three-gene family that contains a phosphomutase-like domain. This small-scale gene duplication event could allow for sub- or neofunctionalization. On the basis of phylogenetic and biochemical characterizations, CgPMU2 has neofunctionalized to become a broad range, phosphate starvation-regulated acid phosphatase, which functionally replaces PHO5 in this pathogenic yeast. We determined that CgPmu2, unlike ScPho5, is not able to hydrolyze phytic acid (inositol hexakisphosphate). Phytic acid is present in fruits and seeds where S. cerevisiae grows, but is not abundant in mammalian tissues where C. glabrata grows. We demonstrated that C. glabrata is limited from an environment where phytic acid is the only source of phosphate. Our work suggests that during evolutionary time, the selection for the ancestral PHO5 was lost and that C. glabrata neofunctionalized a weak phosphatase to replace PHO5. Convergent evolution of a phosphate starvation-inducible acid phosphatase in C. glabrata relative to most yeast species provides an example of how small changes in signal transduction pathways can mediate genetic isolation and uncovers a potential speciation gene.

Spatio-temporal transcript profiling of rice roots and shoots in response to phosphate starvation and recovery.

Using rice (Oryza sativa) as a model crop species, we performed an in-depth temporal transcriptome analysis, covering the early and late stages of Pi deprivation as well as Pi recovery in roots and shoots, using next-generation sequencing. Analyses of 126 paired-end RNA sequencing libraries, spanning nine time points, provided a comprehensive overview of the dynamic responses of rice to Pi stress. Differentially expressed genes were grouped into eight sets based on their responses to Pi starvation and recovery, enabling the complex signaling pathways involved in Pi homeostasis to be untangled. A reference annotation-based transcript assembly was also generated, identifying 438 unannotated loci that were differentially expressed under Pi starvation. Several genes also showed induction of unannotated splice isoforms under Pi starvation. Among these, PHOSPHATE2 (PHO2), a key regulator of Pi homeostasis, displayed a Pi starvation-induced isoform, which was associated with increased translation activity. In addition, microRNA (miRNA) expression profiles after long-term Pi starvation in roots and shoots were assessed, identifying 20 miRNA families that were not previously associated with Pi starvation, such as miR6250. In this article, we present a comprehensive spatio-temporal transcriptome analysis of plant responses to Pi stress, revealing a large number of potential key regulators of Pi homeostasis in plants.

Members of the PHO1 gene family show limited functional redundancy in phosphate transfer to the shoot, and are regulated by phosphate deficiency via distinct pathways.

The PHO1 family comprises 11 members in Arabidopsis thaliana. In order to decipher the role of these genes in inorganic phosphate (Pi) transport and homeostasis, complementation of the pho1 mutant, deficient in loading Pi to the root xylem, was determined by the expression of the PHO1 homologous genes under the control of the PHO1 promoter. Only PHO1 and the homologue PHO1;H1 could complement pho1. The PHO1;H1 promoter was active in the vascular cylinder of roots and shoots. Expression of PHO1;H1 was very low in Pi-sufficient plants, but was strongly induced under Pi-deficient conditions. T-DNA knock-out mutants of PHO1;H1 neither showed growth defects nor alteration in Pi transport dynamics, or Pi content, compared with wild type. However, the double mutant pho1/pho1;h1 showed a strong reduction in growth and in the capacity to transfer Pi from the root to the shoot compared with pho1. Grafting experiments revealed that phenotypes associated with the pho1 and pho1/pho1;h1 mutants were linked to the lack of gene expression in the root. The increased expression of PHO1;H1 under Pi deficiency was largely controlled by the transcription factor PHR1 and was suppressed by the phosphate analogue phosphite, whereas the increase of PHO1 expression was independent of PHR1 and was not influenced by phosphite. Together, these data reveal that although transfer of Pi to the root xylem vessel is primarily mediated by PHO1, the homologue PHO1;H1 also contributes to Pi loading to the xylem, and that the two corresponding genes are regulated by Pi deficiency by distinct signal transduction pathways.

Microtubule-associated protein 1B binds glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.

Microtubule-associated protein 1B, MAP1B, is a major cytoskeletal protein during brain development and one of the largest brain MAPs associated with microtubules and microfilaments. Here, we identified several proteins that bind to MAP1B via immunoprecipitation with a MAP1B-specific antibody, by one and two-dimensional gel electrophoresis and subsequent mass spectrometry identification of precipitated proteins. In addition to tubulin and actin, a variety of proteins were identified. Among these proteins were glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), heat shock protein 8, dihydropyrimidinase related proteins 2 and 3, protein-L-isoaspartate O-methyltransferase, beta-spectrin, and clathrin protein MKIAA0034, linking either directly or indirectly to MAP1B. In particular, GAPDH, a key glycolytic enzyme, was bound in large quantity to the heavy chain of MAP1B in adult brain tissue. In vitro binding studies confirmed a direct binding of GAPDH to MAP1B. In PC12 cells, GAPDH was found in cytoplasm and nuclei and partially co-localized with MAP1B. It disappeared from the cytoplasm under oxidative stress or after a disruption of cytoskeletal elements after colcemid or cytochalasin exposure. GAPDH may be essential in the local energy provision of cytoskeletal structures and MAP1B may help to keep this key enzyme close to the cytoskeleton.

Calcium phosphate transfection generates mammalian recombinant cell lines with higher specific productivity than polyfection.

Transfection with polyethylenimine (PEI) was evaluated as a method for the generation of recombinant Chinese hamster ovary (CHO DG44) cell lines by direct comparison with calcium phosphate-DNA coprecipitation (CaPO4) using both green fluorescent protein (GFP) and a monoclonal antibody as reporter proteins. Following transfection with a GFP expression vector, the proportion of GFP-positive cells as determined by flow cytometry was fourfold higher for the PEI transfection as compared to the CaPO4 transfection. However, the mean level of transient GFP expression for the cells with the highest level of fluorescence was twofold greater for the CaPO4 transfection. Fluorescence in situ hybridization on metaphase chromosomes from pools of cells grown under selective pressure demonstrated that plasmid integration always occurred at a single site regardless of the transfection method. Importantly, the copy number of integrated plasmids was measurably higher in cells transfected with CaPO4. The efficiency of recombinant cell line recovery under selective pressure was fivefold higher following PEI transfection, but the average specific productivity of a recombinant antibody was about twofold higher for the CaPO4-derived cell lines. Nevertheless, no difference between the two transfection methods was observed in terms of the stability of protein production. These results demonstrated the feasibility of generating recombinant CHO-derived cell lines by PEI transfection. However, this method appeared inferior to CaPO4 transfection with regard to the specific productivity of the recovered cell lines.

Stable O and H isotopic composition of hydrous minerals as proxies for paleoclimate and -topography : application to the European Alps

The isotopie composition of clay minerals can be used to gain information on paleoaltitude, -topography and -climate during the time of their formation, as they form in isotopie equilibrium with ambient water, which has an isotopie composition that is determined by previous rain-out. In this thesis, the usability of this approach is evaluated for sample material from both the North Alpine Foreland Basin and internal parts of the European Alps. The isotopie composition of precipitation is determined by the air temperature and the extent of previous rain-out, which in turn is affected by the distance to the point of origin of the water vapor and the condensation conditions. An orographic barrier leads to uplift and adiabatic cooling of air masses and thereby enhances rainfall with a characteristic depletion in heavy 0 and H isotopes. Processes such as evaporation and mixing of water with different origin affect the isotopie composition further on the surface. Clay minerals are hydrous phyllosilicates that can form during weathering or pedogenesis in isotopie equilibrium with the present water and inherit its isotopie composition with a characteristic fractionation. If their isotopie composition was preserved after formation and the necessary parameters are known, it is possible to calculate the isotopie composition of the ambient water and thereby reconstruct climatic and topographic conditions during their formation. Due to the hygroscopic behavior of the sample material, analytical procedures needed to be modified to allow an analysis of the oxygen and hydrogen isotopie composition of the hydroxyl water built into their crystal structure and not the one of recently adsorbed water. In order to determine typical 5lsO and 8D values of meteoric water and minerals in the weathering environment in high Alpine regions, samples of surface water and soils from the valley of Visp in the Swiss Alps were studied that were collected along a transect with varying altitudes and host rock lithologies. The actual aim to attempt the reconstruction of Alpine paleoelevations was addressed by the analysis of sediments deposited under marine and terrestrial conditions during the Miocene and Oligocene, which were sampled from different locations in Switzerland, Germany and Austria. Further bentonite and fault gouge clay samples were used as reference material from low and high elevations. Results show that the isotopie composition of clay minerals can be influenced by several factors, such as the mode and site of their formation, possible isotope exchange (which is evident for 8D values), the samples' mineral composition (such as the presence of detrital material) and the deposition environment. With a consideration of these parameters and limitation to certain sample material, conclusions are drawn on the isotopie composition of the water from which the clay minerals formed. Most of the obtained values lie in the same range as has been reported in literature for foreland precipitation. The reconstruction of paleoelevation might be possible for selected sites with a geographical setting close to the Alpine chain or for intramontane basins. - La composition isotopique des argiles, qui se forment typiquement en contact avec des eaux superficielles, peut être utilisée pour obtenir des informations sur la paléoaltitude, la paléotopographie et le paléoclimat pendant leur création. La composition en isotopes stable (oxygène et hydrogène) des eaux de pluie est déterminée par l'altitude, la température, la distance depuis le lieu d'évaporation et par le taux de précipitation. Certains processus comme l'évaporation, l'interaction avec des minéraux et le mélange d'eaux d'origines variées peuvent aussi changer la composition des eaux de surface. Les argiles sont des pliyllosilicates hydratés qui sont crées par l'altération des roches au contact de ces eaux de surface et ils acquièrent une composition isotopique qui est soumise à un certain fractionnement. L'objectif de cette thèse est d'évaluer si l'effet de l'altitude des Alpes, est détectable dans la composition isotopique des sédiments du bassin d'avant-pavs pendant le Miocène. Après avoir établi la procédure analytique, des compositions isotopiques typiques de régions de hautes altitudes ont été determine sur les eaux de surfaces (rivières) et sur des échantillons de sols, le long d'une coupe dans la valée de Visp, dans les Alpes Suisses. Une reconstruction des paléoaltitudes Miocènes Alpines a ensuite été mené par l'analyse de sédiments marins et terrestres en utilisant des échantillons d'âges variés et provenant de Suisse, d'Allemagne et d'Autriche. Les résultats montrent que la composition isotopique des échantillons est impactée par de multiples facteurs, tels que le mode de et le lieu de formation. un possible échange isotopique tardif (surtout pour 5D). leur composition minéralogique et l'environnement de leur sédimentation. Après un examen prudent de ces paramètres, et en se limitant à un certain assortiment d'échatillons, on peut tirer des conclusions sur la composition isotopique des eaux originelles pour en déduire l'effet du climat et de la topographie.

Defining molecular components of symbiotic phosphate uptake in rice

Phosphate (Pi) acquisition of crops via arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis acquires increasing importance due to the limited rock Pi reserves and the demand for environmentally sustainable agriculture. However, the symbiotic Pi uptake machinery has not been characterized in any monocotyledonous plant species. Among these, rice is the primary staple food for more than half of the human population and thus central for future food security. However, the relevance of the AM symbiosis for rice Pi nutrition is presently unclear. Here, we show that 70% of the overall Pi acquired by rice is delivered via the symbiotic route. To better understand this pathway we combined genetic, molecular and physiological approaches to determine the specific functions of the two rice Pi transporters, PT11 and PT13, which are expressed only during AM symbiosis. The PT11 lineage of proteins is present in mono- and dicotyledons whereas PT13, while found across the Poaceae, is absent from dicotyledons. Surprisingly, mutations in either PT11 or PT13 affected fungal colonization and arbuscule formation demonstrating that both genes are essential for AM symbiosis between rice and Glomus intra.rad.ices. Importantly, for symbiotic Pi uptake, only PT11 is necessary and sufficient. We found that mycorrhizal rice, remarkably, received almost all Pi via the symbiotic route. Such dominating mycorrhizal Pi uptake was found in plants grown under controlled conditions as well as in field soils, suggesting that the AM symbiosis is relevant for the Pi nutrition of field grown rice. Development of smaller arbuscules in PT11 mutants suggested that symbiotic Pi signaling is required for fungal nourishment by the plant. However, co-culture of mutant with wild type nurse plants did not restore normal arbuscule size in mutant roots, indicating that other factors than malnutrition accounted for the altered arbuscule phenotype. Surprisingly, the loss of PT13 did not affect symbiotic Pi uptake although it impacted arbuscule morphology, suggesting that PT13 is involved in signaling during arbuscule development. However, induction of PT13 was not only monitored in arbusculated cells but also in inner cortex cells of non-inoculated roots of plants grown under high Pi fertilization conditions. According to preliminary observations, PT13 localized at the tonoplast in arbusculated and non-arbusculated cells, suggesting that it might be involved in transporting Pi into the vacuole, possibly for maintaining cellular Pi homeostasis. The further investigation showed that fungal colonization level was significantly affected in the crown roots of two ptlS mutant alleles, but not in large lateral roots, implying the possible role of PT13 for maintaining Pi homeostasis in the crown roots. - L'acquisition de phosphate (Pi) par les plantes cultivées s'effectue grâce à une symbiose mycorhizienne arbasculaire (AM). L'étude de cette symbiose devient fondamentale puisque d'une part, les réserves en phosphate minéral sont limitées, et, d'autre part, la demande pour une agriculture écologiquement soutenable se renforce. La machinerie d'absorption symbiotique du phosphate n'est cependant pas encore élucidée chez les plantes monocotylédones. Parmi celles-ci, le riz occupe une place primordiale. Aliment de base pour plus de la moitié de la population mondiale, il revêt de ce fait une dimension essentielle en termes de sécurité alimentaire. Pourtant, l'importance de la symbiose AM chez le riz dans le processus d'acquisition du phosphate n'est, encore de nos jours, que peu comprise. Dans cette étude, nous montrons que 70% du phosphate acquis par le riz est mis à disposition de la plante grâce à la symbiose AM. Afin de mieux comprendre ce mécanisme, nous avons employé des approches physiologiques et génétiques nous permettant de déterminer les fonctions spécifiques de deux transporteurs de Pi, PT11 et PT13, présents chez le riz et exprimés uniquement durant la symbiose AM. La famille de gènes à laquelle appartient PT11 est présente chez les monocotylédones ainsi que chez les dicotylédones tandis que PT13, bien que retrouvé au sein des Poaceae, est absent chez les dicotylédones. Etonnamment, des versions mutées de PT11 ou de PT13 affectent la colonisation par le champignon endo-mycorhizien ainsi que la formation d'arbuscules, démontrant l'importance de ces deux gènes dans la symbiose AM entre le riz et Glomus intraradices. Il est à noter que seul PT11 se révèle nécessaire et suffisant pour l'apport de Pi grâce à la symbiose. Nous avons observé que la presque totalité du phosphate dont dispose le riz lors d'une symbiose AM provient du champignon. De telles proportions ont été observées tant chez des plantes cultivées en conditions contrôlées que chez des plantes cultivées dans les champs. Cela suggère l'importance de la symbiose AM dans le processus d'acquisition du Pi chez le riz cultivé à l'extérieur. Le développement d'arbuscules plus petits chez le mutant PT11 tend à montrer qu'une voie signalétique impliquant le Pi symbiotique est nécessaire pour l'entretien du champignon par la plante. Toutefois, une co-culture du mutant avec des plantes sauvages ne permet pas de restaurer des arbuscules de taille normale dans les racines du mutant. Ce résultat indique le rôle de facteurs autres que la malnutrition aboutissant à la formation d'arbuscules altérés. Si la perte de PT13 n'affecte pas l'acquisition de phosphate symbiotique, la morphologie de l'arbuscule est, quant à elle, modifiée. Ceci suggère un rôle de PT13 durant le développement de l'arbuscule. Or, l'induction de PT13 est non seulement détectée dans des cellules contenant des arbuscules mais également dans des cellules du cortex, ceci chez des plantes cultivées sans champignon mais dans des conditions de fortes concentrations en engrais phosphaté. En accord avec des observations précédentes, PT13 est localisé au niveau du tonoplaste des cellules contenant ou non des arbuscules. Ceci suggère que PT13 pourrait être impliqué dans le transport du Pi vers la vacuole, éventuellement pour maintenir une certaine homéostasie du phosphate. Dans cette étude, nous démontrons également que le niveau de colonisation par le champignon est affecté de manière significative dans les racines principales des deux allèles du mutants ptl3, mais pas dans les grosses racines latérales. Cela impliquerait un rôle possible de PT13 dans le maintien de l'homéostasie du phosphate dans les racines principales. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC Le phosphate (Pi), l'un des éléments minéraux essentiel au développement des plantes, se trouve généralement en faible quantité dans le sol, limitant ainsi la croissance des plantes. Le rendement de la production agricole dépend dès lors de l'addition d'engrais contenant du phosphate inorganique (Pi), obtenu à partir de ressources minières riches en phosphate. Or, ces ressources devraient être épuisées d'ici la fin du siècle. Les racines des plantes possèdent des transporteurs de phosphate efficaces leur permettant d'acquérir rapidement le Pi présent dans le sol. Comme le Pi s'avère immobile dans le sol, l'absorption rapide par les racines crée des zones pauvres en Pi autour des systèmes racinaires. Pour surmonter cet obstacle, les plantes ont développé une symbiose avec des champignons endomycorhiziens, la symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM). Cette association leur donne accès à d'autres ressources en phosphate puisque le mycélium de ces champignons se développe sur une surface 100 fois supérieure à celle des racines. Cela augmente considérablement la surface de nutrition, dépassant ainsi la zone appauvrie en Pi. Le phosphate, transporté grâce au champignon jusqu'à l'intérieur des racines, est fourni à la plante par le biais de structures établies à l'intérieur des cellules végétales, appelées arbuscules. De leur côté, les plantes possèdent des transporteurs spécifiques afin de recevoir le Pi fourni par les champignons. A l'heure actuelle, la machinerie nécessaire à cette absorption a été uniquement décrite chez des plantes dicotylédones. Or, comprendre l'apport de phosphate par les champignons mycorhiziens s'avère particulièrement pertinent dans le cas des espèces monocotylédones cultivées telles que les céréales. Ces dernières constituent en effet la majeure partie de l'alimentation humaine. Parmi les céréales, le riz demeure l'aliment de base de la population mondiale, d'où son importance en terme de sécurité alimentaire. Durant mon travail de thèse, j'ai identifié et caractérisé le transporteur du riz impliqué dans l'apport de phosphate par ce type de symbiose AM. J'ai également démontré que le riz, lorsqu'il vit en symbiose, bénéficie de la presque totalité du Pi transporté par le champignon. Environ 40% de la production globale de riz est cultivée dans des conditions permettant la symbiose avec des mycorhizes arbusculaires. Les variétés de riz adaptées à ces conditions aérobiques deviennent des alternatives favorables aux cultivars actuels nécessitant une forte irrigation. Elles se révèlent en effet plus tolérantes aux pénuries d'eau et permettent l'utilisation de pratiques agricoles moins intensives. Les données présentées dans cette étude enrichissent nos connaissances concernant l'absorption du phosphate chez le riz grâce à la symbiose AM. Ces connaissances peuvent s'avérer décisives pour le développement de cultivars du riz plus adaptés à une agriculture écologiquement soutenable.