镉胁迫对拟南芥幼苗错配修复基因表达的影响

采用半定量反转录聚合酶链式反应(RT-PCR)技术研究了Cd胁迫对拟南芥(Arabidopsis thaliana)幼苗错配修复和增殖细胞核抗原基因表达的影响,并结合幼苗的形态和生理指标,选取Cd胁迫敏感的生物标记物。结果表明:不同浓度(0.25、0.5、1.0 mg.L-1)Cd处理对拟南芥幼苗叶片数、地上部鲜质量影响不大;Cd浓度为0.25 mg.L-1时,地上部分可溶性蛋白质含量明显升高(P<0.05),Cd浓度为0.5和1.0 mg.L-1时,可溶性蛋白质含量明显降低(P<0.05);叶绿素含量随着Cd浓度的增加而微弱增加(P>0.05)。Cd浓度为0.25 mg.L-1时,以18S rRNA为内参照,PCNA1、PCNA2、MSH2、MSH3、MSH6、MSH7 6个基因均出现了诱导表达,当Cd浓度增加到1.0 mg.L-1时,除了MSH6持续表达诱导及MSH3基因与对照相比表达抑制外,其他基因的表达依然出现诱导,但都低于0.5 mg.L-1Cd处理下的基因表达水平。以上结果表明,基因表达的改变可作为检测Cd污染对植物遗传毒性效应潜在有用的生物标记物。

海带蓝光受体及相关基因的研究

本研究中运用四种不用的方法提取海带孢子体RNA，通过对比分析，确定了采用CTAB提取液[2% (w/v) CTAB,100 mM Tris-HC1 (pH 8.0), 50 mM EDTA, pH 7.5, 2 M NaCl, 50 mM DTT]提取RNA的方法，该方法的主要改进之处： (1) 高浓度（50 mM）的 DTT作为防止多酚氧化的还原剂加入提取液中；(2) 1/4 体积的乙醇和 1/9 体积的3 M 醋酸钾（pH 4.8）用来沉淀去除多糖；(3) 1/10倍体积的3 mol/L醋酸钠（pH 5.0）和两倍体积的乙醇选择性沉淀RNA；(4) -80℃沉淀30 min沉淀RNA。CTAB改进法提取的海带孢子体RNA质量好（A260/280 =1.96±0.05)，产量高（68 μg/g），分离的RNA可用于RT-PCR反应，扩增相关基因片段。该方法提取海带配子体RNA效果也很好。 根据拟南芥(Arabidopsis thaliana)、 莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii) 、铁线蕨(Adiantum capillus-veneris)、转板藻(Mougeotia scalaris)和无隔藻(Vaucheria frigida)等的蓝光受体蛋白保守序列，设计一系列简并引物，进行RT-PCR扩增，筛选并克隆测序了4条序列片段，通过比对分析，所得序列与已知的蓝光受体基因序列不一致。在所获得的序列中，一条783 bp的序列与肌醇-1-磷酸合成酶基因的片段有较高的相似性，通过RACE法克隆出该基因的3’末端，5’末端克隆没有成功，全长序列有待深入分析。

Cross-species identification of Mendel's/locus

Armstead, I. P., Donnison, I. S., Aubry, S., Harper, J. A., H?rtensteiner, S., James, C. L., Mani, J., Moffet, M., Ougham, H. J., Roberts, L. A., Thomas, A. M., Weeden, N., Thomas, S., King, I. P. (2007). Cross-species identification of Mendel's/locus. Science, 315 (5808), 73. Sponsorship: BBSRC RAE2008

Detecting separate time scales in genetic expression data.

BACKGROUND: Biological processes occur on a vast range of time scales, and many of them occur concurrently. As a result, system-wide measurements of gene expression have the potential to capture many of these processes simultaneously. The challenge however, is to separate these processes and time scales in the data. In many cases the number of processes and their time scales is unknown. This issue is particularly relevant to developmental biologists, who are interested in processes such as growth, segmentation and differentiation, which can all take place simultaneously, but on different time scales. RESULTS: We introduce a flexible and statistically rigorous method for detecting different time scales in time-series gene expression data, by identifying expression patterns that are temporally shifted between replicate datasets. We apply our approach to a Saccharomyces cerevisiae cell-cycle dataset and an Arabidopsis thaliana root developmental dataset. In both datasets our method successfully detects processes operating on several different time scales. Furthermore we show that many of these time scales can be associated with particular biological functions. CONCLUSIONS: The spatiotemporal modules identified by our method suggest the presence of multiple biological processes, acting at distinct time scales in both the Arabidopsis root and yeast. Using similar large-scale expression datasets, the identification of biological processes acting at multiple time scales in many organisms is now possible.

Intergenic and genic sequence lengths have opposite relationships with respect to gene expression.

Eukaryotic genomes are mostly composed of noncoding DNA whose role is still poorly understood. Studies in several organisms have shown correlations between the length of the intergenic and genic sequences of a gene and the expression of its corresponding mRNA transcript. Some studies have found a positive relationship between intergenic sequence length and expression diversity between tissues, and concluded that genes under greater regulatory control require more regulatory information in their intergenic sequences. Other reports found a negative relationship between expression level and gene length and the interpretation was that there is selection pressure for highly expressed genes to remain small. However, a correlation between gene sequence length and expression diversity, opposite to that observed for intergenic sequences, has also been reported, and to date there is no testable explanation for this observation. To shed light on these varied and sometimes conflicting results, we performed a thorough study of the relationships between sequence length and gene expression using cell-type (tissue) specific microarray data in Arabidopsis thaliana. We measured median gene expression across tissues (expression level), expression variability between tissues (expression pattern uniformity), and expression variability between replicates (expression noise). We found that intergenic (upstream and downstream) and genic (coding and noncoding) sequences have generally opposite relationships with respect to expression, whether it is tissue variability, median, or expression noise. To explain these results we propose a model, in which the lengths of the intergenic and genic sequences have opposite effects on the ability of the transcribed region of the gene to be epigenetically regulated for differential expression. These findings could shed light on the role and influence of noncoding sequences on gene expression.

The Function and Regulation of Photobodies in Phytochrome Signaling

Light is a critical environmental signal that regulates every phase of the plant life cycle, from germination to floral initiation. Of the many light receptors in the model plant Arabidopsis thaliana, the red- and far-red light-sensing phytochromes (phys) are arguably the best studied, but the earliest events in the phy signaling pathway remain poorly understood. One of the earliest phy signaling events is the translocation of photoactivated phys from the cytoplasm to the nucleus, where they localize to subnuclear foci termed photobodies; in continuous light, photobody localization correlates closely with the light-dependent inhibition of embryonic stem growth. Despite a growing body of evidence supporting the biological significance of photobodies in light signaling, photobodies have also been shown to be dispensable for seedling growth inhibition in continuous light, so their physiological importance remains controversial; additionally, the molecular components that are required for phy localization to photobodies are largely unknown. The overall goal of my dissertation research was to gain insight into the early steps of phy signaling by further defining the role of photobodies in this process and identifying additional intragenic and extragenic requirements for phy localization to photobodies.

Even though the domain structure of phys has been extensively studied, not all of the intramolecular requirements for phy localization to photobodies are known. Previous studies have shown that the entire C-terminus of phys is both necessary and sufficient for their localization to photobodies. However, the importance of the individual subdomains of the C-terminus is still unclear. For example a truncation lacking part of the most C-terminal domain, the histidine kinase-related domain (HKRD), can still localize to small photobodies in the light and behaves like a weak allele. However, a point mutation within the HKRD renders the entire molecule completely inactive. To resolve this discrepancy, I explored the hypothesis that this point mutation might impair the dimerization of the HKRD; dimerization has been shown to occur via the C-terminus of phy and is required for more efficient signaling. I show that this point mutation impairs nuclear localization of phy as well as its subnuclear localization to photobodies. Additionally, yeast-two-hybrid analysis shows that the wild-type HKRD can homodimerize but that the HKRD containing the point mutation fails to dimerize with both itself and with wild-type HKRD. These results demonstrate that dimerization of the HKRD is required for both nuclear and photobody localization of phy.

Studies of seedlings grown in diurnal conditions show that photoactivated phy can persist into darkness to repress seedling growth; a seedling's growth rate is therefore fastest at the end of the night. To test the idea that photobodies could be involved in regulating seedling growth in the dark, I compared the growth of two transgenic Arabidopsis lines, one in which phy can localize to photobodies (PBG), and one in which it cannot (NGB). Despite these differences in photobody morphology, both lines are capable of transducing light signals and inhibiting seedling growth in continuous light. After the transition from red light to darkness, the PBG line was able to repress seedling growth, as well as the accumulation of the growth-promoting, light-labile transcription factor PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3 (PIF3), for eighteen hours, and this correlated perfectly with the presence of photobodies. Reducing the amount of active phy by either reducing the light intensity or adding a phy-inactivating far-red pulse prior to darkness led to faster accumulation of PIF3 and earlier seedling growth. In contrast, the NGB line accumulated PIF3 even in the light, and seedling growth was only repressed for six hours; this behavior was similar in NGB regardless of the light treatment. These results suggest that photobodies are required for the degradation of PIF3 and for the prolonged stabilization of active phy in darkness. They also support the hypothesis that photobody localization of phys could serve as an instructive cue during the light-to-dark transition, thereby fine-tuning light-dependent responses in darkness.

In addition to determining an intragenic requirement for photobody localization and further exploring the significance of photobodies in phy signaling, I wanted to identify extragenic regulators of photobody localization. A recent study identified one such factor, HEMERA (HMR); hmr mutants do not form large photobodies, and they are tall and albino in the light. To identify other components in the HMR-mediated branch of the phy signaling pathway, I performed a forward genetic screen for suppressors of a weak hmr allele. Surprisingly, the first three mutants isolated from the screen were alleles of the same novel gene, SON OF HEMERA (SOH). The soh mutations rescue all of the phenotypes associated with the weak hmr allele, and they do so in an allele-specific manner, suggesting a direct interaction between SOH and HMR. Null soh alleles, which were isolated in an independent, tall, albino screen, are defective in photobody localization, demonstrating that SOH is an extragenic regulator of phy localization to photobodies that works in the same genetic pathway as HMR.

In this work, I show that dimerization of the HKRD is required for both the nuclear and photobody localization of phy. I also demonstrate a tight correlation between photobody localization and PIF3 degradation, further establishing the significance of photobodies in phy signaling. Finally, I identify a novel gene, SON OF HEMERA, whose product is necessary for phy localization to photobodies in the light, thereby isolating a new extragenic determinant of photobody localization. These results are among the first to focus exclusively on one of the earliest cellular responses to light - photobody localization of phys - and they promise to open up new avenues into the study of a poorly understood facet of the phy signaling pathway.

The origin and evolution of phototropins.

Plant phototropism, the ability to bend toward or away from light, is predominantly controlled by blue-light photoreceptors, the phototropins. Although phototropins have been well-characterized in Arabidopsis thaliana, their evolutionary history is largely unknown. In this study, we complete an in-depth survey of phototropin homologs across land plants and algae using newly available transcriptomic and genomic data. We show that phototropins originated in an ancestor of Viridiplantae (land plants + green algae). Phototropins repeatedly underwent independent duplications in most major land-plant lineages (mosses, lycophytes, ferns, and seed plants), but remained single-copy genes in liverworts and hornworts-an evolutionary pattern shared with another family of photoreceptors, the phytochromes. Following each major duplication event, the phototropins differentiated in parallel, resulting in two specialized, yet partially overlapping, functional forms that primarily mediate either low- or high-light responses. Our detailed phylogeny enables us to not only uncover new phototropin lineages, but also link our understanding of phototropin function in Arabidopsis with what is known in Adiantum and Physcomitrella (the major model organisms outside of flowering plants). We propose that the convergent functional divergences of phototropin paralogs likely contributed to the success of plants through time in adapting to habitats with diverse and heterogeneous light conditions.

Interacción planta - áfido - endosimbionte: estudio de las relaciones entre plantas del género Solanum, Myzus persicae y Buchnera aphidicola

El áfido verde del duraznero, Myzus persicae, se asocia con la bacteria endosimbiótica Buchnera aphidicola que se localiza en el hemocele del áfido. B. aphidicola suplementa la dieta del áfido, aunque podría cumplir otros roles en la interacción planta-áfido. Las respuestas de las plantas a la infestación por M. persicae, muestran mayores similitudes con las respuestas a una infección bacteriana que al ataque de insectos masticadores, por ejemplo en la inducción de procesos relacionados a la senescencia. La hipótesis propuesta en este trabajo es que en la interacción plantaáfido están involucrados efectores, los cuales podrían ser sintetizados por el áfido o por su endosimbionte primario, B. aphidicola. Por esta razón en ésta Tesis se evaluó la participación de B. aphidicola y de la senescencia foliar inducida en la interacción planta-áfido, integrando estudios que involucran distintos aspectos de la interacción entre plantas, áfidos y el endosimbionte primario. Para estudiar el comportamiento alimenticio de los áfidos se utilizó la técnica de gráfico de penetración eléctrica (EPG), y para evaluar la expresión de genes se utilizó RT-qPCR. Se encontró que la inducción de senescencia foliar incrementó el tiempo de ingestión de savia y mejoró el desarrollo ninfal de los áfidos. Además se encontró que la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola, afecta el comportamiento alimenticio y la expresión de genes de las glándulas salivales del áfido, siendo el efecto más evidente en una interacción planta áfido compatible que en una interacción incompatible. Además, la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola cambió la expresión de genes marcadores de las dos principales vías de defensa en Arabidopsis thaliana. Estos resultados confirman la participación de B. aphidicola y de procesos similares a la senescencia foliar, en la interacción planta-áfido.

Interacciones entre el ambiente lumínico y la producción de defensas contra hervíboros y patógenos en plantas

La radiación UV-B es un componente importante de la luz solar y tiene efetos netos sobre el desarrollo de las plantas. En condiciones naturales se observa frecuentemente que las plantas expuestas a la radiación UV-B son menos atacadas por insectos herbívoros. Estudios previos indicaron que este fenómeno se encontraba relacionado a cambios en la calidad de los tejidos vegetales producido por la radiación UV-B. Se ha sugerido que podría existir una convergencia entre las cascadas de señalización inducidas por el UV-B y por la herbivoría ya que algunos de los compuestos inducidos por el UV-B también son producidas en respuesta al ataque de insectos. En base a esto, en el presente trabajo de tesis se estudió el rol de la vía de señalización de jasmonatos y el papel del fotoreceptor de UV-B, UVR8, sobre el incremento de la resistencia a insectos y patógenos necrótrofos producidos porla exposición de las plantas a la radiación UV-B. A partir de experimentos realizados con las plantas modelo Nicotiana attenuata y Arabidopsis thaliana, se evaluó la producción de diversos componentes de la respuesta de defensa y la resistencia de insectos y patógenos mediante bioensayos. Como resultado, se encontró que parte del efecto de la radiación UV-B incrementando las defensas implica a la vía de los jasmonatos y que la radiación UV-B incrementa la sensibilidad de los tejidos a estas hormonas. En otros casos, el UV-B incrementa la resistencia a agresores bióticos por mecanismos independientes de los jasmonatos, pero que son dependientes del fotorreceptor UVR8. El trabajo presentado en esta tesis constituye la primera evidencia directa del rol de los jasmonatos en el incremento de las defensas producido por la radiación UV-B y es además el primer trabajo donde se evalúa el rol del fotorreceptor UVR8 sobre la producción de defensas

Estudio de una estrategia alternativa de ingeniería genética para incrementar la fijación biológica de nitrógeno atmosférico

Para satisfacer los altos rendimientos que impulsan la agricultura moderna la aplicación de fertilizantes nitrogenados ha sido fundamental. Dado que la base de la producción industrial de los fertilizantes químicos esta basado en el uso de combustibles fósiles, estos, actualmente, incrementan el costo económico debido a la disminución constante de las reservas de petróleo. Además, dada la baja eficiencia en el uso del fertilizante aplicado por parte de las plantas y el alto impacto ambiental debido a la emisión de óxido nitroso, resulta necesario emprender la búsqueda de nuevas estrategias para aumentar la concentración del nitrógeno fijado. Una de las propuestas para disminuir la aplicación de fertilizantes es el uso de microorganismos fijadores de nitrógeno; que ya son ampliamente utilizados en leguminosas por su capacidad de establecer asociaciones simbióticas; las cuales, lamentablemente, aún no han sido encontradas entre los principales cultivos de cereales. El objetivo del presente trabajo es la producción de una técnica de ingeniería genética que permita obtener bacterias fijadoras de nitrógeno recombinantes capaces de asociarse a distintos cultivos vegetales incrementando la productividad de los mismos. Para ello, los genes que sintetizan la nitrogenasa (nif), que están co-localizados en una isla genómica, en Pseudomonas stutzeri A1501 se transfirieron, vía el cósmido recombinante X940, a un promotor del crecimiento vegetal, Pseudomonas protegens Pf-5. La bacteria recombinante obtenida, P. protegens Pf-5 X940, fue capaz de crecer en medios de cultivo deficientes en nitrógeno o con el agregado de amonio; mostró una alta actividad nitrogenasa, liberando al medio de cultivo cantidades significativas de amonio y presentó expresión de los genes nif, sugiriendo que el proceso de fijación, en esta bacteria, es constitutivo. Las inoculaciones de especies vegetales (arabidopsis, alfalfa, festuca alta y maíz) con Pf-5 X940 aumentaron la concentración de amonio en el suelo y la productividad de las plantas en condiciones deficientes de nitrógeno. Estos resultados inician un nuevo camino hacia la producción efectiva de inoculantes recombinantes para la fijación de nitrógeno en un amplio rango de cultivos

Estudio de una estrategia alternativa de ingeniería genética para incrementar la fijación biológica de nitrógeno atmosférico

Para satisfacer los altos rendimientos que impulsan la agricultura moderna la aplicación de fertilizantes nitrogenados ha sido fundamental. Dado que la base de la producción industrial de los fertilizantes químicos esta basado en el uso de combustibles fósiles, estos, actualmente, incrementan el costo económico debido a la disminución constante de las reservas de petróleo. Además, dada la baja eficiencia en el uso del fertilizante aplicado por parte de las plantas y el alto impacto ambiental debido a la emisión de óxido nitroso, resulta necesario emprender la búsqueda de nuevas estrategias para aumentar la concentración del nitrógeno fijado. Una de las propuestas para disminuir la aplicación de fertilizantes es el uso de microorganismos fijadores de nitrógeno; que ya son ampliamente utilizados en leguminosas por su capacidad de establecer asociaciones simbióticas; las cuales, lamentablemente, aún no han sido encontradas entre los principales cultivos de cereales. El objetivo del presente trabajo es la producción de una técnica de ingeniería genética que permita obtener bacterias fijadoras de nitrógeno recombinantes capaces de asociarse a distintos cultivos vegetales incrementando la productividad de los mismos. Para ello, los genes que sintetizan la nitrogenasa (nif), que están co-localizados en una isla genómica, en Pseudomonas stutzeri A1501 se transfirieron, vía el cósmido recombinante X940, a un promotor del crecimiento vegetal, Pseudomonas protegens Pf-5. La bacteria recombinante obtenida, P. protegens Pf-5 X940, fue capaz de crecer en medios de cultivo deficientes en nitrógeno o con el agregado de amonio; mostró una alta actividad nitrogenasa, liberando al medio de cultivo cantidades significativas de amonio y presentó expresión de los genes nif, sugiriendo que el proceso de fijación, en esta bacteria, es constitutivo. Las inoculaciones de especies vegetales (arabidopsis, alfalfa, festuca alta y maíz)con Pf-5 X940 aumentaron la concentración de amonio en el suelo y la productividad de las plantas en condiciones deficientes de nitrógeno. Estos resultados inician un nuevo camino hacia la producción efectiva de inoculantes recombinantes para la fijación de nitrógeno en un amplio rango de cultivos

Interacción planta - áfido - endosimbionte: estudio de las relaciones entre plantas del género Solanum, Myzus persicae y Buchnera aphidicola

El áfido verde del duraznero, Myzus persicae, se asocia con la bacteria endosimbiótica Buchnera aphidicola que se localiza en el hemocele del áfido. B. aphidicola suplementa la dieta del áfido, aunque podría cumplir otros roles en la interacción planta-áfido. Las respuestas de las plantas a la infestación por M. persicae, muestran mayores similitudes con las respuestas a una infección bacteriana que al ataque de insectos masticadores, por ejemplo en la inducción de procesos relacionados a la senescencia. La hipótesis propuesta en este trabajo es que en la interacción plantaáfido están involucrados efectores, los cuales podrían ser sintetizados por el áfido o por su endosimbionte primario, B. aphidicola. Por esta razón en ésta Tesis se evaluó la participación de B. aphidicola y de la senescencia foliar inducida en la interacción planta-áfido, integrando estudios que involucran distintos aspectos de la interacción entre plantas, áfidos y el endosimbionte primario. Para estudiar el comportamiento alimenticio de los áfidos se utilizó la técnica de gráfico de penetración eléctrica (EPG), y para evaluar la expresión de genes se utilizó RT-qPCR. Se encontró que la inducción de senescencia foliar incrementó el tiempo de ingestión de savia y mejoró el desarrollo ninfal de los áfidos. Además se encontró que la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola, afecta el comportamiento alimenticio y la expresión de genes de las glándulas salivales del áfido, siendo el efecto más evidente en una interacción planta áfido compatible que en una interacción incompatible. Además, la interrupción de la simbiosis con B. aphidicola cambió la expresión de genes marcadores de las dos principales vías de defensa en Arabidopsis thaliana. Estos resultados confirman la participación de B. aphidicola y de procesos similares a la senescencia foliar, en la interacción planta-áfido.

Identification of an arsenic tolerant double mutant with a thiol-mediated component and increased arsenic tolerance in phyA mutants

A genetic screen was performed to isolate mutants showing increased arsenic tolerance using an Arabidopsis thaliana population of activation tagged lines. The most arsenic-resistant mutant shows increased arsenate and arsenite tolerance. Genetic analyses of the mutant indicate that the mutant contains two loci that contribute to arsenic tolerance, designated ars4 and ars5. The ars4ars5 double mutant contains a single T-DNA insertion, ars4, which co-segregates with arsenic tolerance and is inserted in the Phytochrome A (PHYA) gene, strongly reducing the expression of PHYA. When grown under far-red light conditions ars4ars5 shows the same elongated hypocotyl phenotype as the previously described strong phyA-211 allele. Three independent phyA alleles, ars4, phyA-211 and a new T-DNA insertion allele (phyA-t) show increased tolerance to arsenate, although to a lesser degree than the ars4ars5 double mutant. Analyses of the ars5 single mutant show that ars5 exhibits stronger arsenic tolerance than ars4, and that ars5 is not linked to ars4. Arsenic tolerance assays with phyB-9 and phot1/phot2 mutants show that these photoreceptor mutants do not exhibit phyA-like arsenic tolerance. Fluorescence HPLC analyses show that elevated levels of phytochelatins were not detected in ars4, ars5 or ars4ars5, however increases in the thiols cysteine, gamma-glutamylcysteine and glutathione were observed. Compared with wild type, the total thiol levels in ars4, ars5 and ars4ars5 mutants were increased up to 80% with combined buthionine sulfoximine and arsenic treatments, suggesting the enhancement of mechanisms that mediate thiol synthesis in the mutants. The presented findings show that PHYA negatively regulates a pathway conferring arsenic tolerance, and that an enhanced thiol synthesis mechanism contributes to the arsenic tolerance of ars4ars5.

Selenium in higher plants: understanding mechanisms for biofortification and phytoremediation:understanding mechanisms for biofortification and phytoremediation

Selenium (Se) is an essential micronutrient for many organisms, including plants, animals and humans. As plants are the main source of dietary Se, plant Se metabolism is therefore important for Se nutrition of humans and other animals. However, the concentration of Se in plant foods varies between areas, and too much Se can lead to toxicity. As we discuss here, plant Se uptake and metabolism can be exploited for the purposes of developing high-Se crop cultivars and for plant-mediated removal of excess Se from soil or water. Here, we review key developments in the current understanding of Se in higher plants. We also discuss recent advances in the genetic engineering of Se metabolism, particularly for biofortification and phytoremediation of Se-contaminated environments.