Increased flow of fatty acids toward beta-oxidation in developing seeds of Arabidopsis deficient in diacylglycerol acyltransferase activity or synthesizing medium-chain-length fatty acids.

Synthesis of polyhydroxyalkanoates (PHAs) from intermediates of fatty acid beta-oxidation was used as a tool to study fatty acid degradation in developing seeds of Arabidopsis. Transgenic plants expressing a peroxisomal PHA synthase under the control of a napin promoter accumulated PHA in developing seeds to a final level of 0. 06 mg g(-1) dry weight. In plants co-expressing a plastidial acyl-acyl carrier protein thioesterase from Cuphea lanceolata and a peroxisomal PHA synthase, approximately 18-fold more PHA accumulated in developing seeds. The proportion of 3-hydroxydecanoic acid monomer in the PHA was strongly increased, indicating a large flow of capric acid toward beta-oxidation. Furthermore, expression of the peroxisomal PHA synthase in an Arabidopsis mutant deficient in the enzyme diacylglycerol acyltransferase resulted in a 10-fold increase in PHA accumulation in developing seeds. These data indicate that plants can respond to the inadequate incorporation of fatty acids into triacylglycerides by recycling the fatty acids via beta-oxidation and that a considerable flow toward beta-oxidation can occur even in a plant tissue primarily devoted to the accumulation of storage lipids.

Characterization of root apoplastic barriers in Arabidopsis thaliana

In vascular plants, the best-known feature of a differentiated endodermal cell is the "Casparian Strip" (CS). This structure refers to a highly localized cell wall impregnation in the transversal and anticlinal walls of the cell, which surrounds the cell like a belt/ring and is tightly coordinated with respect to neighboring cells. Analogous to tight junctions in animal epithelia, CS in plants act as a diffusion barrier that controls the movement of water and ions from soil into the stele. Since its first description by Robert Caspary in 1865 there have been many attempts to identify the chemical nature of the cell wall deposition in CS. Suberin, lignin, or both have been claimed to be the important components of CS in a series of different species. However, the exact chemical composition of CS has remained enigmatic. This controversy was due to the confusion and lack of knowledge regarding the precise measurement of three developmental stages of the endodermis. The CS represent only the primary stage of endodermal differentiation, which is followed by the deposition of suberin lamellae all around the cellular surface of endodermal cells (secondary developmental stage). Therefore, chemical analysis of whole roots, or even of isolated endodermal tissues, will always find both of the polymers present. It was crucial to clarify this point because this will guide our efforts to understand which cell wall biosynthetic component becomes localized in order to form the CS. The main aim of my work was to find out the major components of (early) CS, as well as their spatial and temporal development, physiological roles and relationship to barrier formation. Employing the knowledge and tools that have been accumulated over the last few years in the model plant Arabidopsis thaliana, various histological and chemical assays were used in this study. A particular feature of my work was to completely degrade, or inhibit formation of lignin and suberin biopolymers by biochemical, classical genetic and molecular approaches and to investigate its effect on CS formation and the establishment of a functional diffusion barrier. Strikingly, interference with monolignol biosynthesis abrogates CS formation and delays the formation of function diffusion barrier. In contrast, transgenic plants devoid of any detectable suberin still develop a functional CS. The combination of all these assays clearly demonstrates that the early CS polymer is made from monolignol (lignin monomers) and is composed of lignin. By contrast, suberin is formed much later as a secondary wall during development of endodermis. These early CS are functionally sufficient to block extracellular diffusion and suberin does not play important role in the establishment of early endodermal diffusion barrier. Moreover, suberin biosynthetic machinery is not present at the time of CS formation. Our study finally concludes the long-standing debate about the chemical nature of CS and opens the door to a new approach in lignin research, specifically for the identification of the components of the CS biosynthetic pathway that mediates the localized deposition of cell walls. I also made some efforts to understand the patterning and differentiation of endodermal passage cells in young roots. In the literature, passage cells are defined as a non- suberized xylem pole associated endodermal cells. Since these cells only contain the CS but not the suberin lamellae, it has been assumed that these cells may offer a continued low-resistance pathway for water and minerals into the stele. Thus far, no genes have been found to be expressed specifically in passage cells. In order to understand the patterning, differentiation, and physiological role of passage it would be crucial to identify some genes that are exclusively expressed in these cells. In order to identify such genes, I first generated fluorescent marker lines of stele-expressed transporters that have been reported to be expressed in the passage cells. My aim was to first highlight the passage cells in a non-specific way. In order to find passage cell specific genes I then adapted a two-component system based on previously published methods for gene expression profiling of individual cell types. This approach will allow us to target only the passage cells and then to study gene expression specifically in this cell type. Taken together, this preparatory work will provide an entry point to understand the formation and role of endodermal passage cells. - Chez les plantes vasculaires, la caractéristique la plus commune des cellules différentiées de l'endoderme est la présence de cadres de Caspary. Cette structure correspond à une imprégnation localisée des parties transversales et anticlinales de la paroi cellulaire. Cela donne naissance, autour de la cellule, à un anneau/cadre qui est coordonné par rapport aux cellules voisines. De manière analogue aux jonctions serrées des épithéliums chez les animaux, les cadres de Caspary agissent chez les plantes comme barrière de diffusion, contrôlant le mouvement de l'eau et des ions à travers la racine entre le sol et la stèle. Depuis leur première description par Robert Caspary en 1865, beaucoup de tentatives ont eu pour but de définir la nature chimique de ces cadres de Caspary. Après l'étude de différentes espèces végétales, à la fois la subérine, la lignine ou les deux ont été revendiquées comme étant des composants importants de ces cadres. Malgré tout, leur nature chimique exacte est restée longtemps énigmatique. Cette controverse provient de la confusion et du manque de connaissance concernant la détermination précise des trois stades de développement de l'endoderme. Les cadres de Caspary représentent uniquement le stade primaire de différentiation de l'endoderme. Celui-ci est suivi par le second stade de différentiation, la déposition de lamelles de subérine tout autour de la cellule endodermal. De ce fait, l'analyse chimique de racines entières ou de cellules d'endoderme isolées ne permet pas de séparer les stades de différentiation primaire et secondaire et aboutit donc à la présence des deux polymères. Il est également crucial de clarifier ce point dans le but de connaître quelle machinerie cellulaire localisée à la paroi cellulaire permet l'élaboration des cadres de Caspary. En utilisant les connaissances et les outils accumulés récemment grâce à la plante modèle Arabidopsis thaliana, divers techniques histologiques et chimiques ont été utilisées dans cette étude. Un point particulier de mon travail a été de dégrader ou d'inhiber complètement la formation de lignine ou de subérine en utilisant des approches de génétique classique ou moléculaire. Le but étant d'observer l'effet de l'absence d'un de ces deux polymères sur la formation des cadres de Caspary et l'établissement d'une barrière de diffusion fonctionnelle. De manière frappante, le fait d'interférer avec la voie de biosynthèse de monolignol (monomères de lignine) abolit la formation des cadres de Caspary et retarde l'élaboration d'une barrière de diffusion fonctionnelle. Par contre, des plantes transgéniques dépourvues d'une quantité détectable de subérine sont quant à elles toujours capables de développer des cadres de Caspary fonctionnels. Mises en commun, ces expériences démontrent que le polymère formant les cadres de Caspary dans la partie jeune de la racine est fait de monolignol, et que de ce fait il s'agit de lignine. La subérine, quant à elle, est formée bien plus tard durant le développement de l'endoderme, de plus il s'agit d'une modification de la paroi secondaire. Ces cadres de Caspary précoces faits de lignine suffisent donc à bloquer la diffusion extracellulaire, contrairement à la subérine. De plus, la machinerie de biosynthèse de la subérine n'est pas encore présente au moment de la formation des cadres de Caspary. Notre étude permet donc de mettre un terme au long débat concernant la nature chimique des cadres de Caspary. De plus, elle ouvre la porte à de nouvelles approches dans la recherche sur la lignine, plus particulièrement pour identifier des composants permettant la déposition localisée de ce polymère dans la paroi cellulaire. J'ai aussi fais des efforts pour mettre en évidence la formation ainsi que le rôle des cellules de passage dans les jeunes racines. Dans la littérature, les cellules de passage sont définies comme de la cellule endodermal faisant face aux pôles xylèmes et dont la paroi n'est pas subérisée. Du fait que ces cellules contiennent uniquement des cadres de Caspary et pas de lamelle de subérine, il a été supposé qu'elles ne devraient offrir que peu de résistance au passage de l'eau et des nutriments entre le sol et la stèle. Le rôle de ces cellules de passage est toujours loin d'être clair, de plus aucun gène s'exprimant spécifiquement dans ces cellules n'a été découvert à ce jour. De manière à identifier de tels gènes, j'ai tout d'abord généré des marqueurs fluorescents pour des transporteurs exprimés dans la stèle mais dont l'expression avait également été signalée dans l'endoderme, uniquement dans les cellules de passage. J'ai ensuite développé un système à deux composants basé sur des méthodes déjà publiées, visant principalement à étudier le profil d'expression génique dans un type cellulaire donné. En recoupant les gènes exprimés spécifiquement dans l'endoderme à ceux exprimés dans la stèle et les cellules de passage, il nous sera possible d'identifier le transriptome spécifique de ces cellules. Pris dans leur ensemble, ces résultats devraient donner un bon point d'entrée dans la définition et la compréhension des cellules de passage.

Identification and functional characterization of a monofunctional peroxisomal enoyl-CoA hydratase 2 that participates in the degradation of even cis-unsaturated fatty acids in Arabidopsis thaliana.

A gene, named AtECH2, has been identified in Arabidopsis thaliana to encode a monofunctional peroxisomal enoyl-CoA hydratase 2. Homologues of AtECH2 are present in several angiosperms belonging to the Monocotyledon and Dicotyledon classes, as well as in a gymnosperm. In vitro enzyme assays demonstrated that AtECH2 catalyzed the reversible conversion of 2E-enoyl-CoA to 3R-hydroxyacyl-CoA. AtECH2 was also demonstrated to have enoyl-CoA hydratase 2 activity in an in vivo assay relying on the synthesis of polyhydroxyalkanoate from the polymerization of 3R-hydroxyacyl-CoA in the peroxisomes of Saccharomyces cerevisiae. AtECH2 contained a peroxisome targeting signal at the C-terminal end, was addressed to the peroxisome in S. cerevisiae, and a fusion protein between AtECH2 and a fluorescent protein was targeted to peroxisomes in onion cells. AtECH2 gene expression was strongest in tissues with high beta-oxidation activity, such as germinating seedlings and senescing leaves. The contribution of AtECH2 to the degradation of unsaturated fatty acids was assessed by analyzing the carbon flux through the beta-oxidation cycle in plants that synthesize peroxisomal polyhydroxyalkanoate and that were over- or underexpressing the AtECH2 gene. These studies revealed that AtECH2 participates in vivo to the conversion of the intermediate 3R-hydroxyacyl-CoA, generated by the metabolism of fatty acids with a cis (Z)-unsaturated bond on an even-numbered carbon, to the 2E-enoyl-CoA for further degradation through the core beta-oxidation cycle.

The transcription factor PHR1 plays a key role in the regulation of sulfate shoot-to-root flux upon phosphate starvation in Arabidopsis.

Background: Sulfate and phosphate are both vital macronutrients required for plant growth and development. Despite evidence for interaction between sulfate and phosphate homeostasis, no transcriptional factor has yet been identified in higher plants that affects, at the gene expression and physiological levels, the response to both elements. This work was aimed at examining whether PHR1, a transcription factor previously shown to participate in the regulation of genes involved in phosphate homeostasis, also contributed to the regulation and activity of genes involved in sulfate inter-organ transport. Results: Among the genes implicated in sulfate transport in Arabidopsis thaliana, SULTR1;3 and SULTR3;4 showed up-regulation of transcripts in plants grown under phosphate-deficient conditions. The promoter of SULTR1;3 contains a motif that is potentially recognizable by PHR1. Using the phr1 mutant, we showed that SULTR1;3 up regulation following phosphate deficiency was dependent on PHR1. Furthermore, transcript up regulation was found in phosphate-deficient shoots of the phr1 mutant for SULTR2;1 and SULTR3;4, indicating that PHR1 played both a positive and negative role on the expression of genes encoding sulfate transporters. Importantly, both phr1 and sultr1;3 mutants displayed a reduction in their sulfate shoot-to-root transfer capacity compared to wild-type plants under phosphate-deficient conditions. Conclusions: This study reveals that PHR1 plays an important role in sulfate inter-organ transport, in particular on the regulation of the SULTR1;3 gene and its impact on shoot-to-root sulfate transport in phosphate-deficient plants. PHR1 thus contributes to the homeostasis of both sulfate and phosphate in plants under phosphate deficiency. Such a function is also conserved in Chlamydomonas reinhardtii via the PHR1 ortholog PSR1.

A quantitative genetic signature of senescence in a short-lived perennial plant.

The evolution of senescence (the physiological decline of organisms with age) poses an apparent paradox because it represents a failure of natural selection to increase the survival and reproductive performance of organisms. The paradox can be resolved if natural selection becomes less effective with age, because the death of postreproductive individuals should have diminished effects on Darwinian fitness [1, 2]. A substantial body of empirical work is consistent with this prediction for animals, which transmit their genes to progeny via an immortal germline. However, such evidence is still lacking in plants, which lack a germline and whose reproduction is diffuse and modular across the soma. Here, we provide experimental evidence for a genetic basis of senescence in the short-lived perennial plant Silene latifolia. Our pedigree-based analysis revealed a marked increase with age in the additive genetic variance of traits closely associated with fitness. This result thus extends to plants the quantitative genetic support for the evolutionary theory of senescence.

Leishmania major metacaspase can replace yeast metacaspase in programmed cell death and has arginine-specific cysteine peptidase activity.

The human protozoan parasite Leishmania major has been shown to exhibit several morphological and biochemical features characteristic of a cell death program when differentiating into infectious stages and under a variety of stress conditions. Although some caspase-like peptidase activity has been reported in dying parasites, no caspase gene is present in the genome. However, a single metacaspase gene is present in L. major whose encoded protein harbors the predicted secondary structure and the catalytic dyad histidine/cysteine described for caspases and other metacaspases identified in plants and yeast. The Saccharomyces cerevisiae metacaspase YCA1 has been implicated in the death of aging cells, cells defective in some biological functions, and cells exposed to different environmental stresses. In this study, we describe the functional heterologous complementation of a S. cerevisiae yca1 null mutant with the L. major metacaspase (LmjMCA) in cell death induced by oxidative stress. We show that LmjMCA is involved in yeast cell death, similar to YCA1, and that this function depends on its catalytic activity. LmjMCA was found to be auto-processed as occurs for caspases, however LmjMCA did not exhibit any activity with caspase substrates. In contrast and similarly to Arabidopsis thaliana metacaspases, LmjMCA was active towards substrates with arginine in the P1 position, with the activity being abolished following H147A and C202A catalytic site mutations. These results suggest that metacaspases are members of a family of peptidases with a role in cell death conserved in evolution notwithstanding possible differences in their catalytic activity.

The Role of AtPHO1 in the Guard Cell Movements of Arabidopsis thaliana

In plants, stomatal opening and closing are driven by ion fluxes that cause changes in guard cell turgor and volume, a process that is in turn regulated by complex environ¬mental and hormonal signals such as light and the phytohormone abscisic acid (ABA). With this study, we present genetic evidence that stomatal movements in response to ABA are influenced by PHOl expression in guard cells of Arabidopsis thaliana. PHOl is a phosphate exporter involved in phosphate loading into the root xylem ves¬sels and, as a result, the phol mutant is characterized by low shoot phosphate lev¬els. In leaves, PHOl was found expressed at higher level in guard cells, and was quickly up-regulated following treatment with ABA. The phol mutant was unaffected in ROS production following ABA treatment, and in stomatal movements in response to different light cues, high extracellular calcium, auxin, and fusicoccin. However, stomatal movements in response to ABA treatment were severely impaired, both in terms of induction of closure and inhibition of opening. Stomatal movements in re¬sponse to hydrogen peroxide and reduced CO2 was altered as well. Micro-grafting a phol shoot scion onto wild-type root stock resulted in plants with normal shoot growth and Pi content, but failed to restore normal stomatal response to ABA treat-ment, showing that the impairment was not a simple pleiotropic consequence of phos¬phate deficiency. PHOl knockdown using RNAi specifically in guard cells of wild-type plants caused a reduced stomatal response to ABA. In agreement, specific expression of PHOl in guard cells of phol plants complemented the mutant guard cell phenotype and re-established ABA sensitivity, although full functional complementation was co- dependent on shoot Pi sufficiency. Down-regulation of PHOl in guard cells did not alter the expression of ABA marker genes, indicating that PHOl does not affect the ABA signal transduction cascade at the transcriptional level. Together, these data reveal an important role for phosphate and PHOl action in the stomatal response to ABA. Résumé L'ouverture et la fermeture des stomates des plantes sont des mouvements contrôlés par des flux d'ions causant des fluctuations de la turgescence des cellules de garde. Ce procédé est en retour régulé par des signaux environnementaux et hormonaux complexes, comme la lumière et l'hormone végétale acide abscissique (ABA). Nous présentons ici des preuves génétiques montrant que les mouvements stomatiques en réponse à l'ABA sont influencés par l'expression de PHOl dans les cellules de garde d'Arabidopsis thaliana. PHOl est un exporteur de phosphate, impliqué dans l'efflux de phosphate des cellules corticales racinaires vers les vaisseaux de xylème. En con¬séquence, le mutant phol est caractérisé par de faibles niveaux de phosphate dans les parties aériennes. Dans les feuilles, PHOl est exprimé préférentiellement dans les cellules de garde, comparé au mésophylle, et est rapidement induit par le traitement à l'ABA. Le mutant phol n'est pas affecté dans la perception de l'ABA, dans la pro¬duction de ROS en réponse à l'ABA, et dans la réponse des stomates aux traitements de lumière, à l'auxine, à la fusiccocine, et la forte concentration extracellulaire de cal¬cium. En revanche, les mouvements de stomates en réponse aux traitements à l'ABA sont fortement affectés, dans l'induction de la fermeture des stomates comme dans l'inhibition de leur ouverture. De plus, les mouvements de stomates en réponse au péroxyde d'hydrogène et à la diminution du CO2 sont aussi compromis. La création de micro-greffes composées d'une partie aérienne phol greffés sur un système racinaire sauvage génère des plantes avec une croissance et une teneur en phosphate normale, mais ne permet pas de restaurer la réponse des stomates à l'ABA, ce qui démontre que le défaut de réponse à l'ABA n'est pas une simple conséquence pléiotropique de la carence en phosphate. La répression par RNAi de l'expression de PHOl dans les stomates de plantes sauvages provoque une réduction de la réponse des stomates à l'ABA, mais n'affecte pas la réponse de gènes marqueurs à l'ABA, ce qui suggère que PHOl n'agit pas au niveau transcriptionnel. Parallèlement, l'expression de PHOl dans les cellules de gardes de mutants phol complémente le phénotype stomatique mutant et rétablit la réponse à l'ABA, bien que la totale complémentation nécessite l'apport normal de phosphate aux parties aériennes. Ensemble, ces résultats révè¬lent l'influence importante de PHOl et du phosphate dans la réponse des stomates à l'ABA.

" Leishmania major " metacaspase in programmed cell death

Abstract: The human protozoan parasite Leishmania major has been shown to exhibit several morphological and biochemical features characteristic of a programmed cell death (PCD) when differentiating into infectious stages and under a variety of stress conditions. In mammalian cells, the principal effector molecules of PCD or apoptosis are caspases. Although some caspase-like peptidase activity has been reported in dying parasites, no caspase gene is present in the L. major genome. However, a single metacaspase gene is present in L. major whose encoded protein harbors the predicted secondary structure and the catalytic dyad histidine/cysteine described for caspases and other metacaspases identified in plants and yeast. Metacaspases are also present in other protozoan parasites such as Trypanosoma and Plasmodium species and are not present in mammalian cells, which make them a possible drug target for the treatment of the parasitic diseases they cause. The Saccharomyces cerevisiae metacaspase YCA1 has been implicated in the death of aging cells, cells defective in some biological functions, and cells exposed to different environmental stresses. In this study, we evaluated the functional heterologous complementation of a S. cerevisiae ycal null mutant with the L. major metacaspase (LmjMCA} in cell death induced by oxidative stress. We show that LmjMCA is involved in yeast cell death, similar to YCA1, and that this function depends on its catalytic activity. LmjMCA was found to be auto-processed as occurs for caspases, however, LmjMCA did not exhibit any activity with caspase substrates. In contrast, LmjMCA was active towards substrates with arginine in the P1 position, with the activity being abolished following H147A and C202A catalytic site mutations and addition of the arginal inhibitor leupeptin. In order to identify the L. major proteins that may function as substrates, inhibitors, or may bind and recruit LmjMCA, a yeast two-hybrid screening with cDNA libraries from different life cycle stages of the parasite was conducted. Proteins putatively involved in PCD were identified as interacting with LmjMCA, however, the interaction of LmjMCA with proteins involved in other physiological processes such as vesicle transport, suggests that LmjMCA could have additional roles in the different life cycle stages of the parasite. Résumé: Plusieurs caractéristiques morphologiques et biochimiques rappelant la mort cellulaire programmée ont été identifiées dans les stades infectieux et sous des conditions de stress, chez le parasite protozoaire humain, Leishmania major. Dans les cellules de mammifères, les caspases sont les molécules effectrices principales impliquées dans la mort cellulaire programmée et l'apoptose. Bien qu'une activité caspase ait été retrouvée dans des parasites en mon` cellulaire, le génome de Leishmania ne contient aucun gène qui pourrait coder pour une caspase. À la place, on retrouve un gène unique codant pour une métacaspase. Une prédiction de la structure secondaire de la métacaspase montre que cette métacaspase a un domaine catalytique contenant la dyade histidine/cystéine présente dans les caspases et les autres métacaspases décrites chez les plantes et la levure. Les métacaspases sont aussi présentes dans d'autres parasites protozoaires tels que Trypanosome et Plasmodium, mais ne sont pas présentes dans les cellules de mammifères, ce qui en fait des cibles intéressantes pour le développement de drogue. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L. major lors de l'induction de ta mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YGA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que celte fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNc provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Résumé destiné à un large public: De nos jours, la leishmaniose est la deuxième plus importante maladie parasitaire après la malaria. Malgré les avancées accomplies dans les stratégies de contrôle, près de deux millions de nouveaux cas apparaissent chaque année. Actuellement, la principale stratégie pour faire face à ce problème épidémiologique consiste en un traitement pharmacologique des personnes infectées. Pourtant, seule une dizaine de médicaments, dont la plupart sont toxiques, est disponible pour traiter la leishmaniose et des cas de résistance émergent dans certains pays endémiques. Il devient donc urgent de mettre au point de nouveaux traitements anti-leishmaniens capables d'éliminer le parasite sans effets indésirables sur le patient. Récemment, des caractéristiques morphologiques et biochimiques de la mort cellulaire programmée (MCP) semblables au processus de l'apoptose chez les mammifères ont été décrites dans Leishmania. Cependant, des gènes codant pour des protéines similaires à celles qui sont impliquées dans l'apoptose, comme les caspases, ne se retrouvent pas dans le génome de Leishmanía major. Néanmoins, les espèces de Leishmanía, aussi bien que d'autres parasites protozoaires responsables des trypanosomiases et de la malaria, possèdent des métacaspases qui sont des protéines homologues aux caspases mais qui ne sont pas présentes chez les mammifères. C'est pourquoi, la caractérisation de la métacaspase de Leishmania (LmjMCA) ainsi que ses mécanismes d'activation pourrait être une piste d'investigation intéressante dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans les voies de signalisation de la MCP des parasites protozoaires. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L major lors de l'induction de la mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YCA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que cette fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNe provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Resumen destinado al público en general: La leishmaniasis es la segunda enfermedad parasitaria más importante en el mundo actual. Aproximadamente 2 millones de nuevos casos ocurren cada año a pesar de los avances logrados en el desarrollo de nuevos métodos de control. El tratamiento farmacológico de las personas infectadas es actualmente la principal estrategia de control, sin embargo, menos de una decena de medicamentos se encuentran disponibles en el mercado, la mayoría de ellos son tóxicos, y ya empiezan a encontrarse parásitos resistentes en algunos países endémicos para la leishmaniasis. El desarrollo de nuevos medicamentos capaces de eliminar los parásitos sin producir efectos indeseables en los humanos, es una necesidad inminente. Recientemente, algunas de las características morfológicas y bioquímicas de la muerte celular programada (MCP) similares al proceso de la apoptosis en mamíferos, han sido descritas en parasitos de Leishmania. Sin embargo, genes que codifiquen proteínas similares a aquellas involucradas en la apoptosis, como las caspasas, no se encuentran en el genoma de Leishmania major. AI contrario, las especies de Leishmania, así como de los otros parásitos responsables de la tripanosomiasis y de la malaria, poseen metacaspases, proteínas homologas a las caspases pero que no están presentes en las células de mamíferos. La caracterización de la metacaspasa de L. major y de sus mecanismos de activación constituye, por lo tanto, un área de investigación interesante para la identificación de nuevos blancos terapéuticos en el proceso de MCP de los parásitos protozoarios. En la levadura Saccharomyces cerevisiae, la metacaspasa YCA1 ha sido descrita como implicada en la muerte de células envejecidas, células defectuosas en algunas funciones biológicas, y en células expuestas a diferentes tipos de estrés ambiental. En el presente estudio se evaluó la complementación heteróloga funcional de una levadura mutante deficiente en YCA1 con el gen de metacaspase de L. major (LmjMCA) en la MCP inducida por estrés oxidativo. Nuestros resultados muestran que la LmjMCA puede reemplazarla YCA1 en la MCP de la levadura dependiente de su actividad catalítica y que la LmjMCA se auto-procesa similar a las caspasas. Sin embargo, LmjMCA no reconoce los substratos de caspasas sino substratos con una arginina en ta posición P1. Dicha actividad enzimática fue abolida con la inducción de las mutaciones puntuales H147A y C202A en la díada catalítica de LmjMCA y con la adición de leupeptina, un inhibidor con arginina. Con el fin de identificar proteínas que pudieran funcionar como substratos, inhibidores o moléculas modificadoras de LmjMCA, se aplicó el método de doble-híbrido en levadura con bibliotecas de ADNc provenientes de diferentes estadios del ciclo de vida del parásito. Algunas proteínas potencialmente implicadas. en la MCP del parásito fueron identiñcadas interactuando con LmjMCA. La identificación de otras proteínas involucradas en transporte vesicular sugiere que la LmjMCA podría tener una función biológica adicional en los diferentes estadios del ciclo de vida dei parásito.

Jasmonate controls polypeptide patterning in undamaged tissue in wounded Arabidopsis leaves.

Wounding initiates a strong and largely jasmonate-dependent remodelling of the transcriptome in the leaf blades of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). How much control do jasmonates exert on wound-induced protein repatterning in leaves? Replicated shotgun proteomic analyses of 2.5-mm-wide leaf strips adjacent to wounds revealed 106 differentially regulated proteins. Many of these gene products have not emerged as being wound regulated in transcriptomic studies. From experiments using the jasmonic acid (JA)-deficient allene oxide synthase mutant we estimated that approximately 95% of wound-stimulated changes in protein levels were deregulated in the absence of JA. The levels of two tonoplast proteins already implicated in defense response regulation, TWO-PORE CHANNEL1 and the calcium-V-ATPase ACA4 increased on wounding, but their transcripts were not wound inducible. The data suggest new roles for jasmonate in controlling the levels of calcium-regulated pumps and transporters, proteins involved in targeted proteolysis, a putative bacterial virulence factor target, a light-dependent catalyst, and a key redox-controlled enzyme in glutathione synthesis. Extending the latter observation we found that wounding increased the proportion of oxidized glutathione in leaves, but only in plants able to synthesize JA. The oxidizing conditions generated through JA signaling near wounds help to define the cellular environment in which proteome remodelling occurs.

Long-distance wound signalling in arabidopsis

The leaves of all plants use elaborate and inducible defence systems to protect themselves. A wide variety of such defences are known and they include defence chemicals such as alkaloids, phenolics and terpenes, physical structures ranging from fibre cells to silica deposits, and a wide variety of defence proteins many of which target digestive processes in herbivores. It has long been known that the defence responses of plants under attack by insects are not restricted to the site of attack. Instead, if a leaf is damaged, defence can be triggered in other parts of the plant body, for example in distal leaves or even in roots and flowers. This raises the question of what are the organ-to-organ signals that coordinate this process. Several hypotheses have been proposed. These include the long-distance transfer of chemical signals through the plant vasculature, hydraulic signals that may transit through the xylem, and electrical signals that would move through living tissues such as the phloem. Much evidence for each of these scenarios has been published. In this thesis we took advantage of the fact that many plant defence responses are regulated by a signal transduction pathway based on a molecule called jasmonic acid. We used this molecule, one of its derivatives (jasmonoyl-isoleucine), and some of the genes it regulates as markers. Using these we investigated the possible role of the electrical signals in the leaf- to-leaf activation of the jasmonate pathway. We found that feeding insects stimulate easily detected electrical activity in the leaves of Arabidopsis thaliana and we used non-invasive surface electrodes to record this activity. This approach showed that jasmonate pathway activity and the electrical activity provoked by mechanical wounding occurred within identical spatial boundaries. Measurements of the apparent speed of surface potentials agreed well with previous velocity estimates for the speed of leaf-to-leaf signals that activate the jasmonate pathway. Using this knowledge we were able to investigate the effects of current injection into Arabidopsis leaves. This resulted in the strong expression of many jasmonate-regulated genes. All these results showed that electrical activity and the activation of jasmonate signalling were highly correlated. In order to test for possible causal links between the two processes, we conducted a small-scale reverse genetic screen on a series of T-DNA insertion mutants in ion channel genes and in other genes encoding proteins such as proton pumps. This screen, which was based on surface potential measurements, revealed that mutations in genes related to ionotropic glutamate receptors in animals had impaired electrical activity after wounding. Combining mutation of two of these glutamate-receptor-like genes in a double mutant reduced the response of leaves to current injection. When a leaf of this double mutant was wounded it failed to transmit a long-distance signal to a distal leaf. This result distinguished the double mutant from the wild-type plant and provides the first genetic evidence that electrical signalling is necessary to coordinate defence responses between organs in plants. - Les feuilles des plantes disposent de systèmes de défense inductibles très élaborés. Un grand nombre de ces systèmes de défenses sont connus et sont basés sur des composés chimiques comme les alcaloïdes, les composés phénoliques ou les terpènes, des systèmes physiques allant de la production de cellules fibreuses aux cristaux de silice ainsi qu'un grand nombre de protéines de défense ciblant le processus digestif des herbivores. Il est connu dépuis longtemps que la réponse défensive de la plante face à l'attaque pas un insecte n'est pas seulement localisée au niveau de la zone d'attaque. A la place, si une feuille est attaquée, les systèmes de défense peuvent être activés ailleurs dans la plante, comme par exemple dans d'autres feuilles, les racines ou même les fleurs. Ces observations soulèvent la question de la nature des signaux d'organes à organes qui régulent ces systèmes. Plusieurs hypothèses ont été formulées; une ou plusieures molécules pourraient être véhiculées dans la plante grâce au système vasculaire, un signal hydraulique transmis au travers du xylème ou encore des signaux électriques transmis par les cellules comme dans le phloème par exemple. De nombreuses études ont été publiées sur ces différentes hypothèses. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi d'utiliser à notre avantage le fait que de nombreuses réponses de défense de la plante sont régulées par une même voie de signalisation utilisant l'acide jasmonique. Nous avons utilisé comme marqueurs cette molécule, un de ses dérivés (le jasmonoyl-isoleucine) ainsi que certains des gènes que l'acide jasmonique régule. Nous avons alors testé l'implication de la transmission de signaux électriques dans l'activation de la voie du jasmonate de feuille à feuille. Nous avons découvert que les insectes qui se nourrissent de feuilles d'Arabidopsis thaliana activent un signal électrique que nous avons pu mesurer grâce à une technique non invasive d'électrodes de surface. Les enregistrements ont montré que la génération de signaux électriques et l'activation de la voie du jasmonate avaient lieu aux mêmes endroits. La mesure de la vitesse de déplacement des impulsions électriques correspond aux estimations faites concernant l'activation de la voie du jasmonate. Grâce à cela, nous avons pu tester l'effet d'injection de courant électrique dans les feuilles d'Arabidopsis. La conséquence a été une forte expression de nombreux gènes de la voie du jasmonate, suggérant une forte corrélation entre l'activité électrique et l'activation de la voie du jasmonate. Afin de tester le lien de cause entre ces deux phénomènes, nous avons entrepris un criblage génétique sur une série de mutants d'insertion à l'ADN-T dans des gènes de canaux ioniques et d'autres gènes d'intérêt comme les gènes des pompes à protons. Ce criblage, basé sur la mesure de potentiels de surface, a permis de montrer que plusieurs mutations de gènes liés aux récepteurs au glutamate ionotropique présentent une baisse drastique de leurs activités électriques après une blessure mécanique des feuilles par rapport au type sauvage. Par la combinaison de deux mutations de ces récepteurs au glutamate en un double mutant, on obtient une réponse à la stimulation électrique encore plus faible. Quand une feuille du double mutant est blessée, elle est incapable de transmettre un signal à longue distance vers une feuille éloignée. Ce résultat permet de distinguer le double mutant de la plante sauvage et amène la première preuve génétique que l'activité électrique est nécessaire pour coordonner les réponses de défense entre les organes chez les plantes.

Fatty acid ketodienes and fatty acid ketotrienes: Michael addition acceptors that accumulate in wounded and diseased Arabidopsis leaves.

Physical damage and disease are known to lead to changes in the oxylipin signature of plants. We searched for oxylipins produced in response to both wounding and pathogenesis in Arabidopsis leaves. Linoleic acid 9- and 13-ketodienes (KODEs) were found to accumulate in wounded leaves as well as in leaves infected with the pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst). Quantification of the compounds showed that they accumulated to higher levels during the hypersensitive response to Pst avrRpm1 than during infection with a Pst strain lacking an avirulence gene. KODEs are Michael addition acceptors, containing a chemically reactive alpha,beta-unsaturated carbonyl group. When infiltrated into leaves, KODEs were found to induce expression of the GST1 gene, but vital staining indicated that these compounds also damaged plant cells. Several molecules typical of lipid oxidation, including malonaldehyde, also contain the alpha,beta-unsaturated carbonyl reactivity feature, and, when delivered in a volatile form, powerfully induced the expression of GST1. The results draw attention to the potential physiological importance of naturally occurring Michael addition acceptors in plants. In particular, these compounds could act directly, or indirectly via cell damage, as powerful gene activators and might also contribute to host cell death.

Production of renewable polymers from crop plants

Plants produce a range of biopolymers for purposes such as maintenance of structural integrity, carbon storage, and defense against pathogens and desiccation. Several of these natural polymers are used by humans as food and materials, and increasingly as an energy carrier. In this review, we focus on plant biopolymers that are used as materials in bulk applications, such as plastics and elastomers, in the context of depleting resources and climate change, and consider technical and scientific bottlenecks in the production of novel or improved materials in transgenic or alternative crop plants. The biopolymers discussed are natural rubber and several polymers that are not naturally produced in plants, such as polyhydroxyalkanoates, fibrous proteins and poly-amino acids. In addition, monomers or precursors for the chemical synthesis of biopolymers, such as 4-hydroxybenzoate, itaconic acid, fructose and sorbitol, are discussed briefly

A novel family of dehydrin-like proteins is involved in stress response in the human fungal pathogen Aspergillus fumigatus.

 During a search for genes controlling conidial dormancy in Aspergillus fumigatus, two dehydrin-like genes, DprA and DprB, were identified. The deduced proteins had repeated stretches of 23 amino acids that contained a conserved dehydrin-like protein (DPR) motif. Disrupted DprAΔ mutants were hypersensitive to oxidative stress and to phagocytic killing, whereas DprBΔ mutants were impaired in osmotic and pH stress responses. However, no effect was observed on their pathogenicity in our experimental models of invasive aspergillosis. Molecular dissection of the signaling pathways acting upstream showed that expression of DprA was dependent on the stress-activated kinase SakA and the cyclic AMP-protein kinase A (cAMP-PKA) pathways, which activate the bZIP transcription factor AtfA, while expression of DprB was dependent on the SakA mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, and the zinc finger transcription factor PacC. Fluorescent protein fusions showed that both proteins were associated with peroxisomes and the cytosol. Accordingly, DprA and DprB were important for peroxisome function. Our findings reveal a novel family of stress-protective proteins in A. fumigatus and, potentially, in filamentous ascomycetes.

An evaluation of new parsimony-based versus parametric inference methods in biogeography: a case study using the globally distributed plant family Sapindaceae

Aim  Recently developed parametric methods in historical biogeography allow researchers to integrate temporal and palaeogeographical information into the reconstruction of biogeographical scenarios, thus overcoming a known bias of parsimony-based approaches. Here, we compare a parametric method, dispersal-extinction-cladogenesis (DEC), against a parsimony-based method, dispersal-vicariance analysis (DIVA), which does not incorporate branch lengths but accounts for phylogenetic uncertainty through a Bayesian empirical approach (Bayes-DIVA). We analyse the benefits and limitations of each method using the cosmopolitan plant family Sapindaceae as a case study.Location  World-wide.Methods  Phylogenetic relationships were estimated by Bayesian inference on a large dataset representing generic diversity within Sapindaceae. Lineage divergence times were estimated by penalized likelihood over a sample of trees from the posterior distribution of the phylogeny to account for dating uncertainty in biogeographical reconstructions. We compared biogeographical scenarios between Bayes-DIVA and two different DEC models: one with no geological constraints and another that employed a stratified palaeogeographical model in which dispersal rates were scaled according to area connectivity across four time slices, reflecting the changing continental configuration over the last 110 million years.Results  Despite differences in the underlying biogeographical model, Bayes-DIVA and DEC inferred similar biogeographical scenarios. The main differences were: (1) in the timing of dispersal events - which in Bayes-DIVA sometimes conflicts with palaeogeographical information, and (2) in the lower frequency of terminal dispersal events inferred by DEC. Uncertainty in divergence time estimations influenced both the inference of ancestral ranges and the decisiveness with which an area can be assigned to a node.Main conclusions  By considering lineage divergence times, the DEC method gives more accurate reconstructions that are in agreement with palaeogeographical evidence. In contrast, Bayes-DIVA showed the highest decisiveness in unequivocally reconstructing ancestral ranges, probably reflecting its ability to integrate phylogenetic uncertainty. Care should be taken in defining the palaeogeographical model in DEC because of the possibility of overestimating the frequency of extinction events, or of inferring ancestral ranges that are outside the extant species ranges, owing to dispersal constraints enforced by the model. The wide-spanning spatial and temporal model proposed here could prove useful for testing large-scale biogeographical patterns in plants.

The CaMV 35S promoter has a weak expression activity in dark grown tissues of moss Physcomitrella patens.

The constitutive Cauliflower Mosaic Virus 35S promoter (CaMV 35S) is widely used as a tool to express recombinant proteins in plants, but with different success. We previously showed that the expression of an F-actin marker, GFP-talin, in Physcomitrella patens using the CaMV 35S promoter failed to homogenously label moss tissues. Here, we show a significant diminution of the GFP fluorescence in dark grown old moss cells and complete lack of labelling in newly differentiated cells. Furthermore, we demonstrate that stable moss lines harbouring a resistance cassette driven by the CaMV 35S are unable to grow in darkness in the presence of the antibiotic. In contrast to the CaMV 35S, the heat inducible promoter, hsp17.3B showed uniform expression pattern in all cells and tissues following a mild heat shock.