The EXS Domain of PHO1 Participates in the Response of Shoots to Phosphate Deficiency via a Root-to-Shoot Signal.

The response of shoots to phosphate (Pi) deficiency implicates long-distance communication between roots and shoots, but the participating components are poorly understood. We have studied the topology of the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) PHOSPHATE1 (PHO1) Pi exporter and defined the functions of its different domains in Pi homeostasis and signaling. The results indicate that the amino and carboxyl termini of PHO1 are both oriented toward the cytosol and that the protein spans the membrane twice in the EXS domain, resulting in a total of six transmembrane α-helices. Using transient expression in Nicotiana benthamiana leaf, we demonstrated that the EXS domain of PHO1 is essential for Pi export activity and proper localization to the Golgi and trans-Golgi network, although the EXS domain by itself cannot mediate Pi export. In contrast, removal of the amino-terminal hydrophilic SPX domain does not affect the Pi export capacity of the truncated PHO1 in N. benthamiana. While the Arabidopsis pho1 mutant has low shoot Pi and shows all the hallmarks associated with Pi deficiency, including poor shoot growth and overexpression of numerous Pi deficiency-responsive genes, expression of only the EXS domain of PHO1 in the roots of the pho1 mutant results in a remarkable improvement of shoot growth despite low shoot Pi. Transcriptomic analysis of pho1 expressing the EXS domain indicates an attenuation of the Pi signaling cascade and the up-regulation of genes involved in cell wall synthesis and the synthesis or response to several phytohormones in leaves as well as an altered expression of genes responsive to abscisic acid in roots.

Identification of novel factors during the establishment of the Casparian strip in the endodermis

Multicellular organisms rely on specialized tissues that allow for the controlled exchange of matter with their surrounding. In order to function properly, these tissues need to establish a tight connection between the individual cells to prevent uncontrolled passive diffusion across the extracellular space. In animals, these connections are called tight and adherens junctions and are a critical feature of epithelia. These connections, however, rely on direct protein-protein interaction of plasma membrane proteins of adjacent cells. Such a mechanism is not possible in plants due to the cell wall, which encases the individual cells. In order to absorb nutrients, while simultaneously preventing uncontrolled diffusion between cells, land plants have evolved the root endodermis, which is functionally equivalent to animal epithelia. Its cells are surrounded by a precisely localized and aligned, ring-like lignin deposition, called the Casparian strip, and therefore tightly connected between each other. Very little was known about the development of the endodermis and the Casparian strip until recently. In the meantime, however, we have identified a family of endodermis- specific proteins, the CASPs, which recruits extracellular proteins the specific Casparian strip membrane domain (CSD) to locally synthesize lignin in the cell wall. Yet, we hardly knew any specifics on how the CSD is initially defined and how the critically important CASPs are being recruited to it. We therefore conducted a forward genetic screen on the localization of CASPI-GFP in order to identify novel mutants, which lack a defined CSD. We identified 48 mutants, which fell into 15 different complementation groups. While some of the isolated genes had previously been identified through different approaches, nine novel genes, which had never been implicated in CSD development and maintenance, were identified. One of them, LORD OF THE RINGS 2 (.LOTR2) is described to greater detail in this work. LOTR2 encodes for EX070A1, a protein of the evolutionary conserved exocyst complex. This complex has frequently been implicated in various secretory processes across kingdoms. In Arabidopsis, it transiently defines the positioning of CASPI-GFP. We have performed a detailed analysis of the dynamics of EX070A1 and CASPI-GFP, including studies with other markers and propose a mechanism, by which the cytosolic EX070A1 transiently defines a plasma membrane domain to recruit transmembrane proteins, which then recruit extracellular enzymes for localized cell wall modification. Considering the ubiquitous expression of EX070A1, we think that this mechanism is potentially of importance not only for the endodermis and the Casparian strip but also for many other tissues, in which the cell wall becomes locally modified. In fact, many other tissues with secondary cell wall modifications contain proteins very similar to the CASPs. It will be interesting to see to which degree this mechanism is employed in other tissues. As for the endodermis, we have now identified the first gene, which is not specific to the endodermis but shows endodermis-specific dynamics. This might give us a better insight on how the plant modulates this ubiquitously present factor in a cell- or tissue-type specific manner. Considering the knowledge, mutants and tools, which are available to us for investigating the endodermis, the Casparian strip, the exocyst complex and EX070A1 might be just the right experimental system to address these questions. -- Les organismes multicellulaires dépendent des tissues spécialisé pour l'échange contrôlé entre eux et leur environnement. Pour leur bon fonctionnement, les cellules de ces tissus ont besoin d'être très étroitement assemblés afin de prévenir la diffusion non-contrôlée à travers l'espace extracellulaire. Chez les animaux, ces connexions sont appelées jonctions serrées et jonctions adhérentes. Ces jonctions dépendent des interactions directes entre les protéines des cellules voisines. Ceci n'est pas possible chez les plantes à cause de la paroi cellulaire qui recouvre chaque cellule individuellement. Pour absorber les nutriments et en même temps empêcher la diffusion non-contrôlé entre cellules, les plantes ont évolué 1'endoderme dans la racine, qui est fonctionnellement équivalent aux épithéliums des animaux. Les cellules de l'endoderme sont ceinturées par une déposition de lignine très précisément localisées comme un anneau et alignées entre les cellules, et qui, donc, connecte étroitement les cellules avoisinante: Le cadre de Caspary. Peu était connu sur le développement de l'endoderme et le cadre de Caspaiy jusqu'à il y a quelques années. Récemment, pourtant, nous avons identifié une famille de protéines spécifiques à l'endoderme, les CASPs, qui définissent le domaine membranaire du cadre de Caspaiy (CSD). Les CASPs recrutent les protéines extracellulaires nécessaire à la synthèse du cadre de Caspary vers une région limité dans la paroi cellulaire. Pourtant, on connaît très peu les processus spécifiques concernant la définition initiale du CSD et comment les CASPs, qui ont une importance cruciale, sont recrutées vers ce domaine. Par conséquent nous avons mené un crible génétique sur la localisation du CASPI- GFP, qui sert comme marqueur pour le CSD. Notre but étant d'isoler de nouveaux mutants affectés dans l'établissement du CSD. Nous avons identifié 48 mutants, en 15 groupes de complémentation. Bien que certains des gènes isolés étaient déjà impliqué dans la formation du cadre de Caspary, neuf nouveaux gènes n'ayant jamais été impliqués dans le développement ou la maintenance du CSD ont pu être identifiés. Un de ces gènes, LORD OF THE RINGS2 (LOTR2) sera décrit plus en détail dans cette étude. LOTR2 code pour EX070A1, qui est une protéine, du complexe exocyste. Ce complexe de protéines a très bien été conservé au cours de l'évolution. Il était souvent impliqué dans plusieurs processus de sécrétion dans toutes les branches de la vie. Chez Arabidopsis, EX070A1 définit la position du CSD d'une façon transitoire et recrute CASP1- GFP. Nous avons mené une analyse détaillée des dynamiques d'EX070Al et CASPI-GFP ainsi que, des études avec des autres mutants. Nous proposons un mécanisme, d'après lequel EX070A1, recruté du cytosol, définit un domaine dans la membrane plasmique pour localiser des protéines transmembranaires, ces dernières ensuite recruteront des enzymes extracellulaires pour la modification locale de la paroi cellulaire. Vu qu'EX070A1 est exprimé dans toute dans la plante, nous pensons que ce mécanisme est potentiellement important non seulement pour l'endoderme et le cadre de Caspary, mais aussi pour les autres tissus où la paroi cellulaire doit être localement modifiée. En effet, plusieurs autres tissus contiennent des protéines très similaires aux CASPs. Il serait intéressant de voir à quelle dégrée ce mécanisme est également utilisé dans ces tissues. En ce qui concerne l'endoderme, nous avons maintenant identifié le premier gène qui n'est pas exprimé spécifiquement dans l'endoderme, mais qui montre tout de même une dynamique caractéristique dans ce tissu. Il serait intéressant de voir comment la plante peut moduler ce facteur omniprésent d'une façon spécifique. Vu les connaissances, les mutants et les outils qu'on a maintenant à notre disposition, l'endoderme et son cadre de Caspary, le complexe exocyste et EX070A1 sont probablement des bons systèmes expérimentaux pour étudier ces questions. -- Identification des nouveaux facteurs pendant l'établissement du cadre de Caspary dans l'endoderme. Lothar Kalmbach, Département de Biologie Moléculaire Végétale (DBMV), Université de Lausanne. Comme tous les autres organismes multicellulaires, les plantes terrestres dépendent de tissus spécialisés pour l'échange contrôlé avec leur environnement. Ces tissus sont importants pour l'absorption des nutriments mais également pour éviter l'influx de composés toxiques. Chez les plantes, ce tissu se trouve dans la racine. C'est l'endoderme. Grâce au cadre de Caspary, qui permet une forte connexion entre les cellules au niveau de leur paroi, l'endoderme empêche les éléments toxiques d'entrer dans le système vasculaire. Depuis quelques années, nous comprenons de plus en plus la nature et la biosynthèse, ainsi que les protéines impliquées dans l'ancrage des enzymes à la membrane plasmique. Nous n'avons eu, par contre, aucune idée sur le mécanisme qui d'abord définit cet endroit dans la membrane plasmique. Nous avons mené un crible génétique sur la localisation de CASPI-GFP, une protéine, qui recrute les enzymes extracellulaires pour la synthèse du cadre de Caspary. Nous avons identifié plusieurs nouveaux gènes qui sont impliqués dans l'intégrité du cadre de Caspary. L'un de ces gènes est EX070A1, qui est un facteur ayant un rôle important lors de la sécrétion des protéines dans tous les organismes eukaryotes. Ces mutants sont gravement affectés au niveau du cadre de Caspary, mais surtout ils ne sont plus capables de localiser CASPI-GFP. Nous avons suivi la dynamique d'EX070Al et de CASP1-GFP en combinaison avec d'autres marqueurs. Nous avons pu montrer que l'accumulation d'EX070Al est spécifique pour l'endoderme et essentielle pour bien localiser CASPI-GFP et donc, le cadre de Caspary. Ces résultats nous aident à mieux comprendre le développement de l'endoderme mais peuvent potentiellement aussi être utilisés pour étudier les modifications de la paroi cellulaire dans d'autres cellules de la plante.

PEC1/AtABCG32 transport function in cuticle biosynthesis

Most aerial parts of the plants are covered by a hydrophobic coating called cuticle. The cuticle is formed of cutin, a complex mixture of esterified fatty acids that are embedded and associated with waxes. The cuticle often appears as a superposition of layers of different composition: The cuticle proper formed of cutin and a mixture of waxes and underneath, the cuticle layer containing cutin, intracuticular waxes and polysaccharides of the cell wall. In addition to its involvement in plant development by preventing organ fusions, the cuticle acts as a barrier to prevent water loss and protect plants against environmental aggressions such as excessive radiation or pathogens attacks. PEC1/AtABCG32 is an ABC transporter from the PDR family involved in cutin biosynthesis. Characterization of the peci mutant in Arabidopsis thaliana showed that PEC1 plays a significant role in the diffusion barrier formation in leaves and petals. The cuticles of leaves and flowers of peci are permeable and the cuticular layer rather than the cuticular proper was altered in the petals, underlining the importance of this particular layer in the maintenance of the diffusion barrier. Chemical analysis on the flower cutin monomer composition of ped mutant revealed a decrease in hydroxylated cutin monomers, suggesting a function of PEC1 in the incorporation of these monomers in the polymer cutin. However, the exact nature of the substrates of PEC1 remained elusive. PEC1 homologues in barley and rice, respectively HvABCG31/EIBI1 and OsABCG31, are also implicated in cuticle biosynthesis. Interestingly, the rice mutant displays more severe phenotypes such as dwarfism and spreading necrosis conducting to the seedling death. In this work, we further characterized osabcg31 mutant and hairpin-RNAi downregulated OsABCG31 plant lines showing reduced growth and cuticle permeability. Our analysis showed a decrease in hydroxylated cutin monomers and severe disruptions in the cuticle, which explain the permeability. Further insights into the function of the cuticle in rice resistance/susceptibility to Pathogens were obtained after inoculation with Magnaporthe oryzae, the fungus responsible for the rice blast disease. Osabcg31 as well as the transgenic lines downregulating OsABCG31 showed increased resistance to the fungus. However, only later steps of infection are reduced . and no impact is obseived on the germination or penetration stages, suggesting that the cuticle disruption per se is not responsible for the resistance. We further investigated the cause of the resistance by analyzing the expression of defense related gene in osabcg31 prior to infection. We found that osabcg31 constitutively express defense related genes, which may explain the resistance, the dwarfism and the cell death. osabcg31 is thus a tool to study the connection between cuticle, plant development and defense signaling networks in rice. The transport function of PEC1 family members is still unknown. In order to link cutin biosynthesis and transport activity, we combined ped mutation with mutations in cutin synthesis related genes. Here, we show that PEC1 acts independently from GPAT4 and GPAT8 pathway and partially overlaps with GPAT6 biosynthesis pathway that leads to the production of hydroxylated C16 cutin precursor 2-Mono(10,16-dihydroxyhexadecanoylJglycerol (2-MHG). In addition, we noticed that despite a comparable cutin monomer composition, ped mutant leaves cuticle are permeable while that of gpat6 mutant are not. This finding raises the possibility of PEC1 being required for the incorporation of C16 hydroxylated monomers and their structural arrangement rather than their direct transport towards the cuticle. A careful investigation of the cuticle permeability, cutin composition and ultrastructure during leave development in Wt plants and ped mutants revealed a possible different regulation of several pathways of cutin biosynthesis and showed the importance of PEC1 function early during leave cuticle maturation. In order to elucidate the transport activity of PEC1, we successfully expressed PEC1 in Nicotiana benthamiana plant system for direct transport experiments. This system will be used to test the PEC 1-dependent transport of potential substrates such as sn-2-monoacylglycerol loaded with a hydroxylated C16 fatty acid. -- Toutes les parties aériennes des plantes sont recouvertes d'une couche hydrophobe appelée «cuticule». Cette cuticule est composée de cutine, un polymère d'acides gras estérifiés, et de cires. La cuticule apparaît souvent sous forme de couches superposées: une première couche extérieure appelée «cuticle proper» formée de cutine et d'un mélange de cires, et une deuxième couche, la «cuticle layer», formée de cutine associée à des cires intracuticulaires et des polysaccharides pariétaux. La cuticule joue le rôle de barrière prévenant contre la perte d'eau et les agressions environnementales. AtABCG32/PEC1 est un transporteur ABC de la famille des PDR impliqué dans la synthèse de la cutine. L'étude du mutant peci d'Arabidopsis thaliana a révélé une fonction de PEC1 dans la formation de la barrière de diffusion. La cuticule des feuilles et fleurs de peci est perméable. Des altérations de la «cuticle layer» ont été démontrées, soulignant son importance dans le maintien de la barrière. L'analyse de la composition de la cutine de peci a montré une réduction spécifique en monomères hydroxylés, suggérant un rôle de PEC1 dans leur incorporation dans la cuticule. Cependant, la nature exacte des substrats de PEC1 n'a pas été identifiée. PEC1 possède deux homologues chez l'orge et le riz, respectivement HvABCG31 et OsABCG31, et qui sont impliqués dans la biosynthèse de la cuticule. Chez le riz, des phénotypes plus sévères ont été observés tels que nanisme et nécroses conduisant à la mort des jeunes plants. Dans cette étude, nous avons continué la caractérisation de osabcg31 ainsi que des lignées de riz sous exprimant le gène OsABCG31 et présentant une cuticule perméable tout en ayant une meilleure croissance. Notre étude a démontré une réduction des monomères hydroxylés de cutine et une désorganisation de la structure de la cuticule, aggravée dans le mutant osabcg31. Ce résultat explique la perméabilité observée. Des mformations P|us approfondies sur l'implication de la cuticule dans la résistance aux pathogènes ont été obtenues après inoculation du mutant osabcg31 et les lignées sous- exprimant OsABCG31 avec une souche virulente de Magnaporthe Oryzae, le champignon responsable de la pyriculariose du riz. Les différentes lignées testées ont démontré une résistance au pathogène. Cependant, seules les étapes tardives de l'infection sont réduites et aucun impact n'est observé sur la germination des spores ou la pénétration du champignon, suggérant que les modifications de la cuticule ne sont pas directement à l'origine de la résistance. L'analyse de l'expression de gènes impliqués dans la résistance à Magnaporthe.oryzae a mis en évidence l'expression constitutive de ces gènes en l'absence de tout contact avec le pathogène. Ceci explique la résistance, le nanisme et la mort cellulaire observés. Ainsi, osabcg31 représente un outil efficace pour l'étude intégrée des systèmes de régulation de la défense, de développement des plantes et la cuticule. La nature des substrats transportés par PEC1/AtABCG32 reste inconnue. Dans le but d'établir une liaison entre biosynthèse de cutine et transport des précurseurs par PEC1, la mutation peci a été combinée avec des mutants impliqués dans différentes voies de biosynthèse. Cette étude a démontré une fonction indépendante de PEC1 de la voie de biosynthèse impliquant les enzymes GPAT4 et GPAT8, et une fonction partiellement indépendante de la voie impliquant GPAT6 qui mène à la production de précurseurs sn-2- monoacylglycerol chargés en acides gras en C16 (2-MHG). De plus, malgré un profil similaire en monomères de cutine, gpat6 conserve une cuticule imperméable alors que celle de PEC1 est perméable. Ceci suggère que PEC1 est nécessaire à l'incorporation des monomères en C16 et leur arrangement structurel plutôt que simplement à leur transport direct. L'étude approfondie de la perméabilité cuticulaire, de la structure ainsi que de la composition en cutine pendant le développement des feuilles de peci et la plante sauvage a révélé l'existence de différentes régulations des voies de biosynthèses des monomères et a démontré l'importance de PEC1 dans les premières étapes de la mise en place de la cuticule. Pour identifier les substrats transportés, l'expression de PEC1 chez le système hétérologue Nicotiana benthamiana a été conduite avec succès. Ce système sera utilisé pour tester le transport de substrats potentiels tels que le sn-2-monoacylglycerol chargé en acide gras en C16.