Genetic transformation of three sweet orange cultivars from explants of adult plants

The difficulty in adult tissue genetic transformation in woody species is still an obstacle to be overcome, including in most sweet orange cultivars of the Brazilian citrus industry. This work reports that, after in vitro culture adjustments, transgenic adventitious buds of 'Hamlin', 'Pra', and 'Valencia' sweet oranges (Citrus sinensis L. Osbeck) were recovered using adult material as explant source, in genetic transformation experiments via Agrobacterium tumefaciens. The transgenic buds were identified by the GUS histochemical analysis and confirmed by PCR analysis, which indicated the presence of an amplified fragment of 817 bp corresponding to the uidA gene sequence. The efficiencies of genetic transformation for 'Hamlin', 'Pra', and 'Valencia' sweet orange cultivars were 2.5, 1.4, and 3.7%, respectively. Media supplemented with auxins and cytokinins during co-culture, and media with high concentrations of cytokinins (3 mg L-1) during transgenic selection led to the transformation and, consequently, the regeneration of adequate number of adventitious buds for the three cultivars. The use of sonication during the explant disinfection was not effective to reduce endophytic contamination and reduced transformation efficiency.

Analysis of the Organic Hydroperoxide Response of Chromobacterium violaceum Reveals That OhrR Is a Cys-Based Redox Sensor Regulated by Thioredoxin

Organic hydroperoxides are oxidants generated during bacterial-host interactions. Here, we demonstrate that the peroxidase OhrA and its negative regulator OhrR comprise a major pathway for sensing and detoxifying organic hydroperoxides in the opportunistic pathogen Chromobacterium violaceum. Initially, we found that an ohrA mutant was hypersensitive to organic hydroperoxides and that it displayed a low efficiency for decomposing these molecules. Expression of ohrA and ohrR was specifically induced by organic hydroperoxides. These genes were expressed as monocistronic transcripts and also as a bicistronic ohrR-ohrA mRNA, generating the abundantly detected ohrA mRNA and the barely detected ohrR transcript. The bicistronic transcript appears to be processed. OhrR repressed both the ohrA and ohrR genes by binding directly to inverted repeat sequences within their promoters in a redox-dependent manner. Site-directed mutagenesis of each of the four OhrR cysteine residues indicated that the conserved Cys21 is critical to organic hydroperoxide sensing, whereas Cys126 is required for disulfide bond formation. Taken together, these phenotypic, genetic and biochemical data indicate that the response of C. violaceum to organic hydroperoxides is mediated by OhrA and OhrR. Finally, we demonstrated that oxidized OhrR, inactivated by intermolecular disulfide bond formation, is specifically regenerated via thiol-disulfide exchange by thioredoxin (but not other thiol reducing agents such as glutaredoxin, glutathione and lipoamide), providing a physiological reducing system for this thiol-based redox switch.

Epicolactone - Natural Product Isolated from the Sugarcane Endophytic Fungus Epicoccum nigrum

The endophytic fungus Epicoccum nigrum was isolated from sugarcane and the bioguided fractionation of the ethyl acetate extract led to the isolation of epicolactone, mellein, and 4,5-dimethylresorcinol. Characterization of epicolactone by MS, NMR and X-ray crystallography revealed a new natural product with an unusual carbon skeleton. The production of this secondary metabolite decreased in mutants of Epicoccum nigrum transformed by Agrobacterium tumefaciens. Additionally, these mutants produced 4-hydroxymellein.

Risposte di resistenza a batteri fitopatogeni di importanti specie coltivate indotte da molecole segnale di diversa natura

A modern management of crop protection should be based on integrated control programmes, including the use of environmentally safe products. Antagonistic/beneficial bacteria and resistance inducers may have a great potential in the prophylaxis of diseases caused by common and quarantine pathogens. This work was carried out to confirm the ability of the known strain IPV-BO G19 (Pseudomonas fluorescens) against fire blight (Erwinia amylovora), as well as to evaluate their efficacy against southern bacterial wilt of tomato (Ralstonia solanacearum) and grapevine crown gall (Agrobacterium vitis). A virulent strain of R. solanacearum race 3 was inhibited by the antagonist on plate. When the pathogen was inoculated 48 h after their application to the root apparatus of tomato plants grown in a climatic chamber, bacterial wilt progression rate was clearly reduced. Moreover the defence response evoked by IPV-BO G19 was studied in tomato plants by monitoring the transcription of genes codifying for three PRs as PR-1a, PR-4, PR-5 and for an intracellular chitinase using multiplex RT-PCR and Real Time RT-PCR. In two field trials during 2005 and 2006, the strain IPV-BO G19 was compared with biofungicides and some abiotic elicitors to protect actively growing shoots of pear scions against fire blight. In both trials, IPV-BO G19 plus Na-alginate gave a high level of protection, three weeks after wound inoculation with E. amylovora. In pear leaf tissues treated with the antagonistic strain IPV-BO G19, catalase, superoxyde dismutase and peroxidise activity was evaluated as markers of induced resistance. The IPV-BO G19 strain was compared with other bioagents and resistance inducers to prevent grapevine crown gall under glasshouse and vineyard conditions.

Transformation von Osteospermum ecklonis mit Konstrukten zur Induktion von Virusresistenz und Blühverfrühung

Für die Etablierung einer Transformationsmethode züchterisch relevanter Sorten von Osteospermum ecklonis (Kapmargerite) wurde zunächst ein geeignetes Protokoll für die Regeneration adventiver Sprosse aus vegetativem Gewebe entwickelt. Anschließend wurden Transformationen von Markergenen durch Kokultur mit Agrobacterium tumefaciens durchgeführt. Hierzu wurden Konstrukte verwendet, die das Gen für ß-D-Glucuronidase (GUS) enthielten und deren Expression in transgenen Pflanzen histochemisch nachgewiesen werden konnte. Kanamycinresistenz erwies sich als geeigneter Selektionsmarker für die Transformation. Es konnten von verschiedenen O. ecklonis Sorten GUS-transgene, nicht-chimäre Pflanzen regeneriert werden.Zur Erzeugung transgener Pflanzen mit dem Ziel der Resistenz gegen LMV (lettuce mosaic potyvirus, Salat Mosaik Virus) wurden drei Konstrukte verwendet. Das erste enthält die kodierende Sequenz der Virusproteine VPg, Pro und 6K2. Durch PCR-Mutation wurde die Proteinase-Schnittstelle zwischen 6K2 und VPg zerstört, sowie Start- und Stopcodon eingeführt. Die anderen LMV-abgeleiteten Konstrukte enthalten nicht translatierbare Fragmente des coat protein Gens in sense und antisense Orientierung.Außerdem wurde O. ecklonis noch mit dem Gen des mutmaßlichen Transkriptionsfaktor SPL3 aus Arabidopsis thaliana unter der Kontrolle eines konstitutiven Promotors transformiert. SPL3 ist an der Regulierung der Blüteninduktion in A. thaliana beteiligt.Regenerierte O. ecklonis wurden durch PCR mit konstruktspezifischen Primern auf Anwesenheit des Transgens und Kontamination durch A. tumefaciens überprüft.

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen In der vorliegenden Arbeit wurden Enzyme aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina bearbeitet. Es wurde versucht, das an der Biosynthese des Alkaloids Ajmalin beteiligte Cytochrom P450-Enzym Vinorin-Hydroxylase heterolog und funktionell zu exprimieren. Ein zunächst unvollständiger, unbekannter Cytochrom P450-Klon konnte komplettiert und eindeutig mittels heterologer Expression in sf9-Insektenzellen als Cinnamoyl-Hydroxylase identifiziert werden. Die Tauglichkeit des Insektenzellsystems für die Untersuchung der Vinorin-Hydroxylase ist auf Grund der deacetylierenden Wirkung der Insektenzellen auf das Substrat Vinorin nicht gegeben. Im Rahmen des Homology Cloning Projektes konnten mehrere Volllängenklone und diverse Teilsequenzen von neuen Cytochrom P450-Klonen ermittelt werden. Ausserdem wurde durch das unspezifische Binden eines degenerierten Primers ein zusätzlicher Klon gefunden, der der Gruppe der löslichen Reduktasen zugeordnet werden konnte. Diese putative Reduktase wurde auf die Aktivität von mehreren Schlüsselenzymen der Ajmalin-Biosynthese durch heterologe Expression in E.coli und anschliessende HPLC-gestützte Aktivitätstests ohne Erfolg geprüft. Bedingt durch die Untauglichkeit des Insektenzellsystems für die Identifizierung der Vinorin-Hydroxylase, wurde ein neuartiges Modul-gestütztes, pflanzliches Expressionsystem etabliert, um vorhandene P450-Volllängenklone auf Vinorin- Hydroxylaseaktivität testen zu können. Die Funktionalität des Systems konnte durch die heterologe Expression der Polyneuridinaldehyd Esterase bestätigt werden. Trotzdem war es bis jetzt nicht möglich, die Cinnamoyl-Hydroxylase als Kontrollenzym für das pflanzliche System oder aber die gesuchte Vinorin- Hydroxylase in aktiver Form zu exprimieren.

Functional and molecular characterization of ethylene responsive factor genes involved in grape ripening

Grape berry is considered a non climacteric fruit, but there are some evidences that ethylene plays a role in the control of berry ripening. This PhD thesis aimed to give insights in the role of ethylene and ethylene-related genes in the regulation of grape berry ripening. During this study a small increase in ethylene concentration one week before véraison has been measured in Vitis vinifera L. ‘Pinot Noir’ grapes confirming previous findings in ‘Cabernet Sauvignon’. In addition, ethylene-related genes have been identified in the grapevine genome sequence. Similarly to other species, biosynthesis and ethylene receptor genes are present in grapevine as multi-gene families and their expression appeared tissue or developmental specific. All the other elements of the ethylene signal transduction cascade were also identified in the grape genome. Among them, there were ethylene response factors (ERF) which modulate the transcription of many effector genes in response to ethylene. In this study seven grapevine ERFs have been characterized and they showed tissue and berry development specific expression profiles. Two sequences, VvERF045 and VvERF063, seemed likely involved in berry ripening control due to their expression profiles and their sequence annotation. VvERF045 was induced before véraison and was specific of the ripe berry, by sequence similarity it was likely a transcription activator. VvERF063 displayed high sequence similarity to repressors of transcription and its expression, very high in green berries, was lowest at véraison and during ripening. To functionally characterize VvERF045 and VvERF063, a stable transformation strategy was chosen. Both sequences were cloned in vectors for over-expression and silencing and transferred in grape by Agrobacterium-mediated or biolistic-mediated gene transfer. In vitro, transgenic VvERF045 over-expressing plants displayed an epinastic phenotype whose extent was correlated to the transgene expression level. Four pathogen stress response genes were significantly induced in the transgenic plants, suggesting a putative function of VvERF045 in biotic stress defense during berry ripening. Further molecular analysis on the transgenic plants will help in identifying the actual VvERF045 target genes and together with the phenotypic characterization of the adult transgenic plants, will allow to extensively define the role of VvERF045 in berry ripening.

Funktionelle Untersuchungen von FLORICAULA und KNOX-Genen in Eschscholzia californica Cham.

FLORICAULA (FLO) und KNOTTED1-like Homöobox (KNOX)-Gene übernehmen neben ihren konservierten Funktionen in der Achsenentwicklung in verschiedenen Eudikotylen eine Funktion in der Fiederblattentwicklung. Zur Klärung der Frage nach dem ursprünglichen Regulationsweg der Fiederblattentwicklung in Hinblick auf FLO und KNOX-Gene innerhalb der Eudikotylen wurde hier die Bedeutung dieser Gene für die Fiederblattentwicklung von Eschscholzia californica als Modell für die Ranunculales, die Schwestergruppe aller anderen Eudikotylen untersucht. Es wurde ein Protokoll zur Erzeugung von somatischen Embryonen aus unreifen Samen entwickelt. Wege zur Herstellung von Mutanten durch Agrobacterium-vermittelte Transformation werden vorgeschlagen. Die Bedeutung von Auxin für die Blattentwicklung und die Untersuchung der Interaktion von ESCHSCHOLZIA CALIFORNICA FLORICAULA (EcFLO) und des KNOX- Gens ESCHSCHOLZIA CALIFORNICA SHOOT MERISTEMLESS (EcSTM) mit Auxin wurde durch Hemmung des Auxintransports untersucht. Trotz gravierender Störungen in der Blattpositionierung und -morphologie konnten Expressionsänderungen beider Gene nicht nachgewiesen werden. Ein Funktionsverlust von EcFLO und KNOX-Genen in E. californica wurden mittels Virus induziertem Gen Silencing (VIGS) erzeugt. VIGS von EcFLO rief keinen Phänotypen hervor. VIGS des KNOX-Gens EcSTM erzeugte dagegen in einigen Pflanzen eine Reduktion der Fiederzahl. Auch molekularbiologisch konnte das Silencing von EcSTM, nicht aber das Silencing von EcFLO nachgewiesen werden. Die Ergebnisse belegen die Notwendigkeit des ungestörten Auxintransports für die Blattentwicklung von E. californica und machen die Beteiligung des KNOX-Gens EcSTM an der Blattentwicklung wahrscheinlich. Die Beteiligung von EcFLO an der Fiederbildung konnte nicht nachgewiesen werden.

Phenotypic and molecular characterization of ethylene biosynthesis in apples

Ethylene plays an important role in apple fruit development. Its biosynthesis is catalyzed by two enzymes ACS and ACO. The first is considered to catalyzes the rate-limiting step of ethylene production and in apple two different alleles (MdACS1-1 and MdACS1-2) of this gene have been identified. The presence in the promoter region of MdACS1-2 allele of a SINE insertion is considered to be responsible for a low transcription level and a pronounced reduction in ethylene production in apple cultivar homozygous for this allele. However, the specific expression of each MdACS1 allele has never been reported as well as any in vivo analysis of its 5’-flanking region. With the present study we addressed these issues by developing a set of qPCR allele specific primers for MdACS1 and by a functional characterization of the MdACS1 promoters by transient expression analysis. qPCR analysis on different apple tissues and stages of development demonstrated that MdACS1-2 allele is never express and that MdACS1-1 allele is ripening-related and expresses predominantly but not exclusively in apple fruit. To test MdACS1 promoter in fruit the only protocol available in literature for transient transformation of apple fruit was evaluated and optimized. Twenty chimeric promoter::reporter constructs were generated and analyzed by Agrobacterium-transient transformation. The in vivo analysis allowed to identify an enhancer-like region of 261 bp in MdACS1 promoter and a region of 57 bp in MdACS1-2 responsible, also if not alone, in the inactivation of the MdACS1-2 allele. Through the assessment of ethylene production in a segregating progeny derived from the cross between Fuji and Mondial Gala (homozygous for MdACS1-2 allele) we demonstrated that at least two other genes may be involved in apple ethylene production. An hypothesis that could explain the difference between Fuji and Mondial Gala have been proposed.

Optimierung von Transformationsprotokollen und Entwicklung von SSR-Markern für das Kolumnarwachstum beim Apfel

Ziel war es, molekularbiologische Untersuchungen zum Kolumnarwachstum des Apfels durchzuführen. Anhand Sequenzdaten des ‘Golden Delicious’ Genoms (Velasco et al. 2010) wurden drei neue SSR Marker entwickelt. Sie konnten bei untersuchten Geisenheimer Nachkommenschaften zuverlässig den Kolumnarwuchs auf DNA-Ebene detektieren. Zusätzlich wurden von Bai et al. (2012) veröffentlichte Marker untersucht. Die von Bai et al. (2012) gefundenen Grenzen des co-Lokus konnten in dieser Arbeit anhand der Geisenheimer Nachkommenschaften nicht bestätigt werden. Die „linke“ Begrenzung der co-Region wird nach Untersuchungen dieser Arbeit am ehesten von dem Marker Mdo.chr10.11 (Moriya et al. 2012) bei 18,757 Mbp definiert. Die „rechte“ Begrenzung der co-Region wird vermutlich von den Markern Co04R13 (Baldi et al. 2012) und C1753-3520 (Bai et al. 2012) bei 18,905 Mbp definiert, wodurch die potentielle co-Region auf 148 kb auf Chromosom 10 eingegrenzt werden könnte. Für Funktionsanalysen möglicher Kandidatengene des co-Gens wurde ein Agrobakterien-vermitteltes Transformationssystem für die Geisenheimer Apfelselektionen ‘A 14’ und ‘Procats 28’ adaptiert. Zusätzlich wurde der bereits in der Literatur als transformierbar beschriebene Genotyp ‘Jonagold’ (Viss et al. 2003) transformiert. Bei Transformationen der Apfelselektion ‘A 14’ gelang es, transgene Zellen an den Explantaten, am Kallusgewebe und an den Regeneraten zu erzeugen. Bei Transformationen von ‘Jonagold’ wurde ein fast vollständig transgenes Regenerat erzeugt.

Etablierung transgener BY-2-Zelllinien zur In-vivo-Lokalisierung pflanzlicher Cytoskelettproteine

Bei den Pflanzen sind viele Fragen bezüglich der Organisation und Regulation des bei der Zellteilung und differenzierung wichtigen Auf-, Ab- und Umbaus des Mikrotubuli-Netzwerkes noch immer offen, insbesondere was die Rolle des γ-Tubulins betrifft. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung von BY-2 Modell-Zelllinien (Nicotiana), die verschiedene mit fluoreszierenden Proteinen (FP) markierte Elemente des Cytoskeletts exprimieren, um eine fluoreszenzmikroskopische Detektion in vivo zu ermöglichen.rnAls Grundlage für alle weiteren Versuche wurde eine zuverlässige Methode zur A. tumefaciens vermittelten stabilen Transfektion von BY-2 Zellen erarbeitet. Für die Expression von FP-markierten Cytoskelettproteinen, wurden entsprechende Fusionskonstrukte kloniert und via A. tumefaciens in BY-2 Zellen transferiert. So gelang zunächst die Herstellung transgener Zelllinien, die GFP-markiertes α- bzw. γ-Tubulin exprimierten. Diese sollten später als Basis für die Untersuchung des dynamischen Mikrotubuli-Netzwerkes bzw. dessen Regulation dienen. In beiden Zelllinien standen die Konstrukte zunächst unter Kontrolle eines doppelten 35S-Promotors, was zu einer starken, konstitutiven Expression der Transgene führte. Fluoreszenzmikroskopisch konnten Strukturen, an deren Aufbau Mikrotubuli beteiligt sind, detektiert werden. Aufgrund einer starken Hintergrundfluoreszenz, vermutlich bedingt durch die konstitutive Überexpression, war die Darstellung feinerer Bereiche, wie sie im Cytoskelett häufig auftreten, jedoch äußerst schwierig. Deshalb wurde eine schwächere bzw. adäquate Expressionsrate angestrebt. rnPhysiologische Expressionsraten sollten vor allem durch den endogenen γ-Tubulin-Promotor ermöglicht werden. Da die entsprechende Sequenz noch unbekannt war, wurde sie zunächst bestimmt und in ein passendes Konstrukt integriert. Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen der resultierenden Zelllinie ließen auf eine stark reduzierte Expressionsrate schließen. Tatsächlich war die Detektion von Cytoskelettstrukturen, wenn überhaupt, erst bei deutlich längeren Belichtungszeiten möglich. Bedingt durch die langen Belichtungszeiten wurde die Dokumentation durch eine latente pflanzentypische Autofluoreszenz der Zellen erschwert. Auch wenn hier keine detailreicheren Aufnahmen der Cytoskelettstrukturen möglich waren, ist die Zellkultur für weiterführende Untersuchungen, z.B. in Studien bezüglich des zeitlichen Expressionsmusters des γ-Tubulins, potentiell geeignet. Der Einsatz eines sensibleren Mikroskopsystems ist allerdings erforderlich. rnUm klären zu können, inwieweit γ-Tubulin mit den Mikrotubuli co-lokalisiert, wurden Zelllinien benötigt, bei denen die entsprechenden Elemente unterschiedlich markiert waren. Zu diesem Zweck wurde der Einsatz von RFP-markiertem Tubulin getestet. Eine deutliche Überexpression von RFP alleine war möglich. Trotz mehrfacher Wiederholung der Versuche war aber keine Expression von RFP-markiertem α-Tubulin in BY-2 Zellen zur Visualisierung der Mikrotubuli detektierbar. Die DNA-Sequenzen waren im Genom nachweisbar, eine Transkription jedoch nicht. Möglicherweise spielten hier gene silencing Effekte eine Rolle. Das verwendete RFP (TagRFP) und GFP stammten aus unterschiedlichen Organismen, aus einer Seeanemone bzw. einer Qualle. Eine Lösung könnte der Austausch des TagRFP durch ein Quallen-Derivat, das in einer von grün unterscheidbaren Farbe fluoresziert, bringen. Da bereits BY-2 Zelllinien vorliegen, die GFP-markiertes α- bzw. γ-Tubulin exprimieren, sollte es, nach Klonieren eines entsprechenden Konstruktes, zeitnah möglich sein, eine doppelt transfizierte Zelllinie herzustellen.

Functional analysis of rice bidirectional promoters

Bidirectional promoters regulate adjacent genes organized in a divergent fashion (head to head orientation). Several Reports pertaining to bidirectional promoters on a genomic scale exists in mammals. This work provides the essential background on theoretical and experimental work to carry out a genomic scale analysis of bidirectional promoters in plants. A computational study was performed to identify putative bidirectional promoters and the over-represented cis-regulatory motifs from three sequenced plant genomes: rice (Oryza sativa), Arabidopsis thaliana, and Populus trichocarpa using the Plant Cis-acting Regulatory DNA Elements (PLACE) and PLANT CARE databases. Over-represented motifs along with their possible function were described with the help of a few conserved representative putative bidirectional promoters from the three model plants. By doing so a foundation was laid for the experimental evaluation of bidirectional promoters in plants. A novel Agrobacterium tumefaciens mediated transient expression assay (AmTEA) was developed for young plants of different cereal species and the model dicot Arabidopsis thaliana. AmTEA was evaluated using five promoters (six constructs) and two reporter genes, gus and egfp. Efficacy and stability of AmTEA was compared with stable transgenics using the Arabidopsis DEAD-box RNA helicase family gene promoter. AmTEA was primarily developed to overcome the many problems associated with the development of transgenics and expression studies in plants. Finally a possible mechanism for the bidirectional activity of bidirectional promoters was highlighted. Deletion analysis using promoter-reporter gene constructs identified three rice promoters to be bidirectional. Regulatory elements located in the 5’- untranslated regions (UTR) of one of the genes of the divergent gene pair were found to be responsible for their bidirectional ctivity

NMR structure of a complex between the VirB9/VirB7 interaction domains of the pKM101 type IV secretion system.

Type IV secretion (T4S) systems translocate DNA and protein effectors through the double membrane of Gram-negative bacteria. The paradigmatic T4S system in Agrobacterium tumefaciens is assembled from 11 VirB subunits and VirD4. Two subunits, VirB9 and VirB7, form an important stabilizing complex in the outer membrane. We describe here the NMR structure of a complex between the C-terminal domain of the VirB9 homolog TraO (TraO(CT)), bound to VirB7-like TraN from plasmid pKM101. TraO(CT) forms a beta-sandwich around which TraN winds. Structure-based mutations in VirB7 and VirB9 of A. tumefaciens show that the heterodimer interface is conserved. Opposite this interface, the TraO structure shows a protruding three-stranded beta-appendage, and here, we supply evidence that the corresponding region of VirB9 of A. tumefaciens inserts in the membrane and protrudes extracellularly. This complex structure elucidates the molecular basis for the interaction between two essential components of a T4S system.

Biological diversity of prokaryotic type IV secretion systems.

Type IV secretion systems (T4SS) translocate DNA and protein substrates across prokaryotic cell envelopes generally by a mechanism requiring direct contact with a target cell. Three types of T4SS have been described: (i) conjugation systems, operationally defined as machines that translocate DNA substrates intercellularly by a contact-dependent process; (ii) effector translocator systems, functioning to deliver proteins or other macromolecules to eukaryotic target cells; and (iii) DNA release/uptake systems, which translocate DNA to or from the extracellular milieu. Studies of a few paradigmatic systems, notably the conjugation systems of plasmids F, R388, RP4, and pKM101 and the Agrobacterium tumefaciens VirB/VirD4 system, have supplied important insights into the structure, function, and mechanism of action of type IV secretion machines. Information on these systems is updated, with emphasis on recent exciting structural advances. An underappreciated feature of T4SS, most notably of the conjugation subfamily, is that they are widely distributed among many species of gram-negative and -positive bacteria, wall-less bacteria, and the Archaea. Conjugation-mediated lateral gene transfer has shaped the genomes of most if not all prokaryotes over evolutionary time and also contributed in the short term to the dissemination of antibiotic resistance and other virulence traits among medically important pathogens. How have these machines adapted to function across envelopes of distantly related microorganisms? A survey of T4SS functioning in phylogenetically diverse species highlights the biological complexity of these translocation systems and identifies common mechanistic themes as well as novel adaptations for specialized purposes relating to the modulation of the donor-target cell interaction.

Biological diversity of prokaryotic type IV secretion systems.

Type IV secretion systems (T4SS) translocate DNA and protein substrates across prokaryotic cell envelopes generally by a mechanism requiring direct contact with a target cell. Three types of T4SS have been described: (i) conjugation systems, operationally defined as machines that translocate DNA substrates intercellularly by a contact-dependent process; (ii) effector translocator systems, functioning to deliver proteins or other macromolecules to eukaryotic target cells; and (iii) DNA release/uptake systems, which translocate DNA to or from the extracellular milieu. Studies of a few paradigmatic systems, notably the conjugation systems of plasmids F, R388, RP4, and pKM101 and the Agrobacterium tumefaciens VirB/VirD4 system, have supplied important insights into the structure, function, and mechanism of action of type IV secretion machines. Information on these systems is updated, with emphasis on recent exciting structural advances. An underappreciated feature of T4SS, most notably of the conjugation subfamily, is that they are widely distributed among many species of gram-negative and -positive bacteria, wall-less bacteria, and the Archaea. Conjugation-mediated lateral gene transfer has shaped the genomes of most if not all prokaryotes over evolutionary time and also contributed in the short term to the dissemination of antibiotic resistance and other virulence traits among medically important pathogens. How have these machines adapted to function across envelopes of distantly related microorganisms? A survey of T4SS functioning in phylogenetically diverse species highlights the biological complexity of these translocation systems and identifies common mechanistic themes as well as novel adaptations for specialized purposes relating to the modulation of the donor-target cell interaction.