Role of Methyl Salicylate on Oviposition Deterrence in Arabidopsis thaliana.

Plants attacked by herbivores have evolved different strategies that fend off their enemies. Insect eggs deposited on leaves have been shown to inhibit further oviposition through visual or chemical cues. In some plant species, the volatile methyl salicylate (MeSA) repels gravid insects but whether it plays the same role in the model species Arabidopsis thaliana is currently unknown. Here we showed that Pieris brassicae butterflies laid fewer eggs on Arabidopsis plants that were next to a MeSA dispenser or on plants with constitutively high MeSA emission than on control plants. Surprisingly, the MeSA biosynthesis mutant bsmt1-1 treated with egg extract was still repellent to butterflies when compared to untreated bsmt1-1. Moreover, the expression of BSMT1 was not enhanced by egg extract treatment but was induced by herbivory. Altogether, these results provide evidence that the deterring activity of eggs on gravid butterflies is independent of MeSA emission in Arabidopsis, and that MeSA might rather serve as a deterrent in plants challenged by feeding larvae.

Four 13-lipoxygenases contribute to rapid jasmonate synthesis in wounded Arabidopsis thaliana leaves: a role for lipoxygenase 6 in responses to long-distance wound signals.

Damage-inducible defenses in plants are controlled in part by jasmonates, fatty acid-derived regulators that start to accumulate within 30 s of wounding a leaf. Using liquid chromatography-tandem mass spectrometry, we sought to identify the 13-lipoxygenases (13-LOXs) that initiate wound-induced jasmonate synthesis within a 190-s timeframe in Arabidopsis thaliana in 19 single, double, triple and quadruple mutant combinations derived from the four 13-LOX genes in this plant. All four 13-LOXs were found to contribute to jasmonate synthesis in wounded leaves: among them LOX6 showed a unique behavior. The relative contribution of LOX6 to jasmonate synthesis increased with distance from a leaf tip wound, and LOX6 was the only 13-LOX necessary for the initiation of early jasmonate synthesis in leaves distal to the wounded leaf. Herbivory assays that compared Spodoptera littoralis feeding on the lox2-1 lox3B lox4A lox6A quadruple mutant and the lox2-1 lox3B lox4A triple mutant revealed a role for LOX6 in defense of the shoot apical meristem. Consistent with this, we found that LOX6 promoter activity was strong in the apical region of rosettes. The LOX6 promoter was active in and near developing xylem cells and in expression domains we term subtrichomal mounds.

Characterization of PHO1 and PHO1;H1 gene function in Arabidopsis thaliana

Summary Phosphorus is one of the major macronutrients required for plant growth and development. Plant roots acquire phosphorus as inorganic phosphate (Pi), which is further distributed to the shoot, via the transpiration stream and root pressure, where Pi is imported again into cells. PHO1 in Arabidopsis has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the root xylem. PHO1 does not have any homology to described Pi transporters including the Pht1 family of H+/ Pi cotransporters. PHO1 bears two domains, SPX and EXS domains, previously identified in Saccharomyces cerevisiae proteins involved in Pi transport and/or sensing, or in sorting proteins to endomembranes. Phylogenetic analysis of the PHO1 gene family revealed the presence of three clusters, with PHO1 and PHO1;H1 forming one cluster. The biological significance behind this cluster was demonstrated by the complementation of the pho1 mutant with only PHO1 and PHO1;H1, of all the PHO1 family members, when expressed under the PHO1 promoter. PHO1 has been shown to be expressed mostly in the root vascular cylinder and at low level in the shoot. PHO1;H1 had a different expression pattern, being expressed in both root and shoot vascular cylinder to the same level, with the levels in leaves increasing with the leaf maturity, suggesting additional role of PHO1;H1 in the Pi mobilization in leaves. In order to further explore the role of PHO1, Pi dynamics was studied on plants expressing PHO1 at different levels compared to the wild type: PHO1 overexpressors, PHO1 underexpressors and the pho1 mutant. Overexpression of the PHO1 protein in the shoot vascular tissue was shown to lead to increased Pi efflux out of the leaf cells and Pi accumulation in the shoot xylem apoplast compared to wild type, confirming the hypothesized role of PHO1 in xylem loading with Pi. The overexpression of PHO1 in the shoot was responsible far both changed Pi dynamic and stunted growth of PHO1 overexpressors, as shown by grafting experiments between wild type and PHO1 overexpressor. We found a ca. 2 fold decrease of shoot phosphorus and a 5-10 fold decrease in vacuolar Pi content in the PHO1 underexpressors and the pho1 null mutant compared to wild type, consistent with the role of PHO1 in the transfer of Pi from the root to the shoot. Shoot Pi deficiency results in a poor growth of the pho1 mutant. Grafting experiments between pho1 and wild type confirmed that both Pi deficiency and stunt growth of the pho1 mutant were dependent on the pho1 root, further supporting the importance of PHO1 in the root xylem loading with Pi. The pho1 mutant and the PHO1 underexpressors accumulated 8-15 fold more Pi in the root relative to wild type. In contrast to the pho1 mutant, the growth of PHO1 underexpressors was not impaired by the low shoat Pi content. This finding suggests that either PHO1 protein or root Pi concentration is important in Pi signaling and development of Pi deficiency symptoms leading to reduced growth. Résumé Le phosphore est l'un des nutriments essentiels à la croissance et au développement des plantes. Les racines absorbent le phosphore sous forme de phosphate inorganique (Pi) qui est dirigé, par la transpiration et la pression de la racine, vers les feuilles où le phosphate est acquis par les cellules. La protéine PHO1 a été démontrée indispensable au chargement du Pi dans le xylème des racines d'Arabidopsis. PHO1 ne démontre pas d'homologie aux transporteurs de Pi connus, incluant la famille Pht1 de cotransporteurs H+/Pi qui ont comme fonction le transport du phosphate à l'intérieur de la cellule. PHO1 contient deux domaines, SPX et EXS, aussi présents dans des protéines de Saccharomyces cerevisiae impliquées dans le transport ou la perception du phosphate, ou dans la localisation des protéines vers différentes membranes. Le génome d'Arabidopsis contient onze gènes homologues à PHO1. Neuf de ces homologues sont répartis en trois groupes. PHO1 et PHO1;H1 forment un de ces groupes. Nos travaux ont démontré que seuls PHO1;H1 et PHO1, sous contrôle du promoteur PHO1, peuvent complémenter le mutant pho1. PHO1 est exprimé principalement dans le cylindre vasculaire de la racine et faiblement dans la partie aérienne. Le degré d'expression de PHO1;H1 est similaire dans le cylindre vasculaire de la racine et des feuilles. Ceci suggère que PHO1;H1 est aussi impliqué dans la mobilisation du Pi dans les feuilles, en plus de son rôle dans le transfert du Pi dans le xylème des racines. Afin de mieux explorer le rôle de PHO1, la dynamique du phosphate a été observée dans trois lignées de plantes transgéniques: un sur-expresseur de PHO1, un sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1. La sur-expression de PHO1 dans le tissue vasculaire des feuilles a provoqué l'efflux du Pi vers l'espace apoplastic du xylème, ce qui confirme le rôle de PHO1 dans le chargement du Pi dans le xylème. La sur-expressìon de PHO1 dans la rosette est responsable d'un changement de la dynamique du Pi et de la diminution de la croissance, ce qui fut démontré par une expérience de greffe de la rosette du sur-expresseur de PHO1 sur les racines du sauvage. On a observé pour le sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1 une diminution du phosphore d'environ 2 fais au niveau des feuilles, et une diminution de 5-10 fois du Pi dans les vacuoles des feuilles, par rapport au sauvage. Ceci confirme le rôle proposé de PHO1 dans le transfert du Pi des racines aux feuilles. La carence de Pi chez pho1 implique une diminution de la taille de la rosette. Pour expliquer ce phénotype une autre expérience de greffe démontra que la cause de ce changement provenait des racines. Ceci renforce l'hypothèse de l'importance du rôle de PHO1 dans le xylème de la racine pour le chargement du Pi. Le mutant phot et le sous-expresseur de PHO1 accumulent 8-15 fois plus de Pi dans leurs racines comparé au sauvage. Cependant, contrairement au phot mutant, le sous-expresseur de PHO1 avait une croissance comparable au sauvage malgré le niveau bas du Pi dans les feuilles. Ceci suggère que la taille de la rosette lors d'une carence en Pi chez Arabidopsis serait la conséquence d'un changement de concentration de Pi dans les racines ou d'une influence de la protéine PHO1.

PH01 gene family in Arabidopsis thaliana and Physcomitrella patens

Summary Inorganic phosphate (Pi) is a main limiting nutrient to the growth and production yield of plants in many agro-ecosystems. Plants have evolved a series of metabolic and developmental adaptations to cope with low Pi availability. PH01 has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the xylem of roots in Arabidopsis. In this study, the PHO1 gene family in both higher plant Arabidopsis and lower plant Physcomitrella was characterized. Additional ten PHO1 homologues in Arabidopsis and three homologues in Physcomitrella were identified. All proteins harbor a SPX tripartite domain in the N-terminal hydrophilic portion and an EXS domain in the highly conserved C-terminal hydrophobic portion. RT-PCR analysis of the Arabidopsis PHO1 genes revealed a broad pattern of expression in leaves, roots, stems, and flowers for most genes, although two genes are expressed exclusively in flowers, indicating their potential roles not only in Pi transport but also in Pi homeostasis within the Arabidopsis plant. The regulation of gene expression by different nutrient-starvations showed that some genes are strongly up-regulated by elements other than Pi, e.g. by NO3, Mg, and Zn starvation. Northern blot and RT-PCR analysis showed distinct expression patterns of the three Physcomitrella PHO1 genes. The investigation of Pi starvation effects on some Pi-deprivation responsive genes demonstrates that Physcomitrella has evolved a similar mechanism as higher plants to respond to Pi deficiency. Promoter activity analysis for the Physcomitrella PHO1 family genes using promoter-GUS fusions revealed their expression in protonemata and gametophores but at different levels and with different patterns, suggesting these genes may play distinct roles in Pi transport and/or Pi homeostasis in the moss plant. Single knockout mutants of the three genes were generated by gene targeting and one of them displayed a reduced Pi content in the protonemata under Pi starvation. The evolution of the PHO1 family in land plants was also discussed. Together, these findings indicate that the PHO1 family genes, present in a broad range of plant species from lower plants to flowering plants, play important roles in Pi transport and homeostasis. Résumé Le phosphate inorganique (Pi) est un nutriment essentiel à la croissance des plantes et au rendement de la production végétale. Dans beaucoup d'agro-écosystèmes, ce nutriment est limitant. Les plantes ont développé des adaptations métaboliques et développementales pour palier à la faible disponibilité du Pi. Il a été démontré que la protéine PHOI est indispensable au transfert du Pi dans le xylème des racines d' Arabidopsis. Cette étude porte sur la famille de gènes définie par PHO1 ; ceci, dans deux organismes modèles : la plante Arabidopsis pour les végétaux supérieurs, et la mousse Physcomitrella pour les végétaux inférieurs. Dix homologues à PHOI dans Arabidopsis et trois homologues dans Physcomitrella ont été identifiés. Toutes les protéines encodées présentent un domaine tripartite SPX dans leur partie N terminale hydrophile et un domaine EXS dans la partie C terminale hydrophobe hautement conservée d'entre eux. L'analyse par RT-PCR de l'expression des gènes PHO1 dans Arabidopsis révèle une expression ectopique pour la plupart, à l'exception de deux gènes dont l'expression est uniquement florale ; ceci suggère l'implication de cette famille non seulement dans le transport mais aussi dans l'homéostasie du Pi dans Arabidopsis. L'observation de l'expression de ces gènes en fonction de l'absence de différents nutriments montre que certains gènes sont fortement régulés lors de carences en NO3, Mg et Zn. L'analyse par northern blot et RT-PCR met en évidence des profils d'expression distincts pour les trois gènes de Physcomitrella. Les effets de la carence en Pi sur Physcomitrella ont été étudiés par le biais de gènes dépendants connus pour Arabidopsis, les résultats suggèrent un mode de réponse à cette carence conservé entre les végétaux inférieurs et supérieurs. La localisation tissulaire de l'expression de la famille PHO1 dans la mousse a été étudiée au moyen du gène rapporteur GUS fusionné aux différents promoteurs. Ceci a révélé leur expression dans les protonemata et les gametophores, mais à des intensités et avec des profils différents, ce qui suggère des implications distinctes dans le transport et/ou l'homéostasie du Pi dans la mousse. Des simples mutants knockout ont été générés pour chaque gène de mousse ; l'un d'eux présente une diminution du contenu protonemal en Pi lorsque soumis à une carence en Pi. L'évolution de la famille PHO1 dans les plantes terrestres est également discutée. Ensemble, ces résultats indiquent que les gènes de la famille PHO1 sont présents dans une large gamme de plantes allant des végétaux inférieurs aux supérieurs, et cette étude démontre que leur conservation se justifie potentiellement par le fait qu'ils sont probablement impliqués dans des mécanismes conservés de transport et d'homéostasie du Pi.

Level of accumulation of epoxy fatty acid in Arabidopsis thaliana expressing a linoleic acid delta12-epoxygenase is influenced by the availability of the substrate linoleic acid.

Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. expressing the Crepis palaestina (L.) linoleic acid delta12-epoxygenase in its developing seeds typically accumulates low levels of vernolic acid (12,13-epoxy-octadec-cis-9-enoic acid) in comparison to levels found in seeds of the native C. palaestina. In order to determine some of the factors limiting the accumulation of this unusual fatty acid, we have examined the effects of increasing the availability of linoleic acid (9cis, 12cis-octadecadienoic acid), the substrate of the delta12-epoxygenase, on the quantity of epoxy fatty acids accumulating in transgenic A. thaliana. The addition of linoleic acid to liquid cultures of transgenic plants expressing the delta12-epoxygenase under the control of the cauliflower mosaic virus 35S promoter increased the amount of vernolic acid in vegetative tissues by 2.8-fold. In contrast, the addition to these cultures of linoelaidic acid (9trans, 12trans-octadecadienoic acid), which is not a substrate of the delta12-epoxygenase, resulted in a slight decrease in vernolic acid accumulation. Expression of the delta12-epoxygenase under the control of the napin promoter in the A. thaliana triple mutant fad3/fad7-1/fad9, which is deficient in the synthesis of tri-unsaturated fatty acids and has a 60% higher level of linoleic acid than the wild type, was found to increase the average vernolic acid content of the seeds by 55% compared to the expression of the delta12-epoxygenase in a wild-type background. Together, these results reveal that the availability of linoleic acid is an important factor affecting the synthesis of epoxy fatty acid in transgenic plants.

Verification at the protein level of the PIF4-mediated external coincidence model for the temperature-adaptive photoperiodic control of plant growth in Arabidopsis thaliana.

Plant circadian clock controls a wide variety of physiological and developmental events, which include the short-days (SDs)-specific promotion of the elongation of hypocotyls during de-etiolation and also the elongation of petioles during vegetative growth. In A. thaliana, the PIF4 gene encoding a phytochrome-interacting basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor plays crucial roles in this photoperiodic control of plant growth. According to the proposed external coincidence model, the PIF4 gene is transcribed precociously at the end of night specifically in SDs, under which conditions the protein product is stably accumulated, while PIF4 is expressed exclusively during the daytime in long days (LDs), under which conditions the protein product is degraded by the light-activated phyB and also the residual proteins are inactivated by the DELLA family of proteins. A number of previous reports provided solid evidence to support this coincidence model mainly at the transcriptional level of the PIF 4 and PIF4-traget genes. Nevertheless, the diurnal oscillation profiles of PIF4 proteins, which were postulated to be dependent on photoperiod and ambient temperature, have not yet been demonstrated. Here we present such crucial evidence on PIF4 protein level to further support the external coincidence model underlying the temperature-adaptive photoperiodic control of plant growth in A. thaliana.

TRANSCRIPTION FACTORS INVOLVED IN PLANT DEFENCE AGAINST INSECT HERBIVORES IN ARABIDOPSIS THALIANA

Afin de pouvoir se défendre contre les insectes nuisibles, les plantes ont développé plusieurs stratégies leur permettant de maximiser leurs chances de survie et de reproduction. Parmi elles, les plantes sont souvent pourvues de barrières physiques telles que les poils urticants, les épines et la cuticule. En plus, les plantes sont capables de produire des protéines anti-digestives et des métabolites secondaires insecticides tels que la nicotine, les tannins ou les glucosinolates (GS). La mise en place de ces barrières physiques et chimiques comporte un coût énergétique au détriment de la croissance et de la reproduction. Par conséquent, en absence d'insectes, la plante investit la majeure partie de son énergie dans le développement et la croissance. A l'inverse, une blessure causée par un insecte provoquera une croissance ralentie, une augmentation de la densité de poils urticants ainsi que la synthèse de défenses chimiques. Au niveau moléculaire, cette défense inductible est régulée par l'hormone végétale acide jamsonique (AJ). En réponse à l'attaque d'un insecte, la plante produit cette hormone en grande quantité, ce qui se traduira par une forte expression de gènes de défense. Pendant ma thèse, j'ai essayé de découvrir quels étaient les facteurs de transcription (FT) responsables de l'expression des gènes de défense dans Arabidopsis thaliana. J'ai ainsi pu démontrer que des plantes mutées dans les FTs comme MYC2, MYC3, MYC4, ZAT10, ZAT12, AZF2, WRKY18, WRKY40, WRKY6, ANAC019, ANAC55, ERF13 et RRTF1 deviennent plus sensibles aux insects de l'espèce Spodoptera littoralis. Par la suite, j'ai également pu montrer que MYC2, MYC3 et MYC4 sont probablement la cible principale de la voie de signalisation du AJ et qu'ils sont nécessaires pour l'expression de la majorité des gènes de défense dont la plupart sont essentiels à la biosynthèse des GS. Une plante mutée simultanément dans ces trois protéines est par conséquent incapable de synthétiser des GS et devient hypersensible aux insectes. J'ai également pu démontrer que les GS sont uniquement efficaces contre les insectes généralistes tels S. littoralis et Heliothis virescens alors que les insectes spécialisés sur les Brassicaceae comme Pieris brassicae et Plutella xylostella se sont adaptés en développant des mécanismes de détoxification. - In response to herbivore insects, plants have evolved several defence strategies to maximize their survival and reproduction. For example, plants are often endowed with trichomes, spines and a thick cuticule. In addition, plants can produce anti-digestive proteins and toxic secondary metabolites like nicotine, tannins and glucosinolates (GS). These physical and chemical barriers have an energetic cost to the detriment of growth and reproduction. As a consequence, in absence of insects, plants allocate their energy to development and growth. On the contrary, an attack by herbivore insects will affect plant growth, increase trichome density and induce the production of anti-digestive proteins and secondary metabolites. At the molecular level, this inducible defence is regulated by the phytohormone jasmonic acid (JA). Thus, an attack by herbivores will be followed by a burst of JA that will induce the expression of defence genes. The aim of my thesis was to characterize which transcription factors (TF) regulate the expression of these defence genes in Arabidopsis thaliana. I could show that plants mutated in various TFs like MYC2, MYC3, MYC4, ZAT10, ZAT12, AZF2, WRKY18, WRKY40, WRKY6, ANAC019, ANAC55, ERF 13 and RRTFl were more susceptible to the herbivore Spodoptera littoralis. Furthermore, I could demonstrate that MYC2, MYC3 and MYC4 are probably the main target of the JA-signalling pathway and that they are necessary for the insect-mediated induction of most defence genes including genes involved in the biosynthesis of GS. A triple mutant myc2myc3myc4 is depleted of GS and consequently hypersensitive to insects. Moreover, I showed that GS are only efficient against generalist herbivores like S. littoralis and Heliothis virescens whereas specialized insects like Pieris brassicae and Plutella xylostella have evolved detoxification mechanisms against GS.

Review on polyhydroxyalkanoate formation in the model plant Arabidopsis thaliana

In order to explore potential alternatives to the production of polyhydroxyalkanoates (PHAs) in bacteria, the enzymes of Alcaligenes eutrophus involved in the synthesis of polyhydroxybutyrate (PHB) have been expressed in the model plant Arabidopsis thaliana. Following the successful production of low amounts of high molecular weight PHB in plants expressing the acetoacetyl-CoA reductase and the PHB synthase in the cytoplasm of Arabidopsis cell, expression of the PHB pathway in the pastids was achieved by modifying the PHB enzymes with plastid targeting signals. This strategy resulted in a significant increase in the formation of PHB in Arabidopsis, with a maximum of 14% of the leaf dry weight . The increase in PHB production is most likely due to the higher flux in the plastids of acetyl-CoA, the precursor for PHB synthesis. A detailed study of metabolic fluxes in Arabidopsis plants producing high levels of PHB could help to determine the potential problems and limitations of PHB synthesis in Arabidopsis and could be useful for optimising strategies for the production of PHB in crop plants. The knowledge on PHB production could also be used for the production of PHAs other than PHB. Apart from PHB, no other PHAs have been produced in an eukaryotic system. Arabidopsis will therefore be used as a model system for the production in eukaryotes of more complex PHAs, such as poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvylerate) or medium-chain-lenght-PHAs.

Development of a two-step screening ESI-TOF-MS method for rapid determination of significant stress-induced metabolome modifications in plant leaf extracts: the wound response in Arabidopsis thaliana as a case study.

To study the stress-induced effects caused by wounding under a new perspective, a metabolomic strategy based on HPLC-MS has been devised for the model plant Arabidopsis thaliana. To detect induced metabolites and precisely localise these compounds among the numerous constitutive metabolites, HPLC-MS analyses were performed in a two-step strategy. In a first step, rapid direct TOF-MS measurements of the crude leaf extract were performed with a ballistic gradient on a short LC-column. The HPLC-MS data were investigated by multivariate analysis as total mass spectra (TMS). Principal components analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA) on principal coordinates were combined for data treatment. PCA and HCA demonstrated a clear clustering of plant specimens selecting the highest discriminating ions given by the complete data analysis, leading to the specific detection of discrete-induced ions (m/z values). Furthermore, pool constitution with plants of homogeneous behaviour was achieved for confirmatory analysis. In this second step, long high-resolution LC profilings on an UPLC-TOF-MS system were used on pooled samples. This allowed to precisely localise the putative biological marker induced by wounding and by specific extraction of accurate m/z values detected in the screening procedure with the TMS spectra.

Rapid and selective surveillance of Arabidopsis thaliana genome annotations with Centrifuge.

Centrifuge is a user-friendly system to simultaneously access Arabidopsis gene annotations and intra- and inter-organism sequence comparison data. The tool allows rapid retrieval of user-selected data for each annotated Arabidopsis gene providing, in any combination, data on the following features: predicted protein properties such as mass, pI, cellular location and transmembrane domains; SWISS-PROT annotations; Interpro domains; Gene Ontology records; verified transcription; BLAST matches to the proteomes of A.thaliana, Oryza sativa (rice), Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster and Homo sapiens. The tool lends itself particularly well to the rapid analysis of contigs or of tens or hundreds of genes identified by high-throughput gene expression experiments. In these cases, a summary table of principal predicted protein features for all genes is given followed by more detailed reports for each individual gene. Centrifuge can also be used for single gene analysis or in a word search mode. AVAILABILITY: http://centrifuge.unil.ch/ CONTACT: edward.farmer@unil.ch.

" Arabidopsis Thaliana " response to insect feeding : new components controlling defense gene expression and plant resistance

Abstract: Plants cannot run away to escape attacking herbivores, but they defend themselves by producing anti-digestive proteins and toxic compounds (for example glucosinolates). The first goal of this thesis was to study changes in gene expression after insect attack using microarrays. The responses of Arabidopsis thaliana to feeding by the specialist Pieris rapae and the generalist Spodoptera liffora is were compared. We found that the transcript profiles after feeding by the two chewing insects were remarkably similar, although the generalist induced a slightly stronger response. The second goal was to evaluate the implication of the four signals jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA), ethylene (ET), and abscisic acid (ABA) in the control of insect-regulated gene expression. Using signaling mutants, we observed that JA was the predominant signal and that ABA modulated defense gene expression. In contrast, SA and ET appeared to control slightly gene expression, but only after feeding by S. litforalis. The third goal was to establish whether plant responses are really effective against insects. In accordance with the transcript profile, both insects were affected by the JA-dependent defenses, as they performed better on the JA-insensitive mutant. S. littoralis also performed better on ABA-deficient mutants, providing evidence for the role of ABA in defense against insects. When testing indole or aliphatic glucosinolate deficient mutants, we found that they were also more susceptible to insect feeding, providing some of the first genetic evidence for the defensive role of glucosinolates in planta. Finally, a glutathione-deficient mutant, pad2-1, was also more susceptible to insect feeding and we could attribute this phenotype to a lowered accumulation of the major indole glucosinolate. In this thesis, we provide a comprehensive list of insect-regulated genes, including many transcription factors that constitute interesting candidate genes for the further study of insect-induced expression changes. Understanding how the plant responses to insects are regulated will provide tools for a better management of insect pest in the field. Résumé: Les plantes ne peuvent s'échapper pour fuir les insectes qui les attaquent, mais elles se défendent en produisant des protéines anti-digestives et des composés toxiques (par exemple des glucosinolates). Le premier but de cette thèse était d'étudier les changements de l'expression génétique lors d'attaque par des insectes en utilisant des puces à ADN. Nous avons comparé la réponse d'Arabidopsis thaliana à deux espèces d'insectes avec des habitudes alimentaires différentes : le spécialiste Pieris rapae et le généraliste Spodoptera littoralis. Nous avons trouvé que les profils de transcription après l'attaque par les deux insectes sont remarquablement similaires, bien que le généraliste induise une réponse légèrement plus forte. Le deuxième but était de déterminer l'implication de quatre signaux dans le contrôle de la réponse :l'acide jasmonique (JA), l'acide salicylique (SA), l'éthylène (ET), et l'acide abscissique (ABA). En utilisant de mutants de signalisation, nous avons montré que l'acide jasmonique était le signal prédominant et que l'acide abscissique modulait l'expression génétique. D'autre part, l'acide salicylique et l'éthylène contrôlent à un degré moindre l'expression génétique, mais seulement après l'attaque par S. littoralís. Le troisième but était d'établir si les réponses des plantes sont efficaces contre les insectes. En accord avec le profil de transcription, les deux espèces d'insectes se sont mieux développées sur un mutant insensible au JA, indiquant que les défenses contrôlées par ce signal sont cruciales pour la plante. De plus, les larves de S. littorales se sont mieux développées sur des mutants déficients en ABA, ce qui fournit une preuve du rôle de l'acide abscissique dans la défense contre les insectes. En testant des mutants déficients en glucosinolates de type indole ou aliphatique, nous avons trouvé qu'ils étaient plus sensibles aux insectes, démontrant ainsi le rôle défensif des glucosinolates in planta. Finalement, le mutant déficient en glutathion pad2-1 était aussi plus sensible à l'attaque des insectes, et nous avons pu attribuer ce phénotype à une plus faible augmentation d'un indole glucosinolate dans ce mutant. Dans cette thèse, nous avons mis en évidence un nombre important de gènes contrôlés par les insectes, comprenant de nombreux facteurs de transcription qui constituent des candidats intéressants pour`étudier plus en détail les changements d'expression génétique induits par les insectes. Une meilleure compréhension de la réponse des plantes contre l'attaque des insectes devrait nous permettre de développer de nouvelles stratégies pour mieux gérer les ravageurs des cultures.

Mechanism of HFR1 function in adaptive growth responses in "Arabidopsis thaliana"

AbstractPlants are sessile organisms, which have evolved an astonishing ability to sense changes in their environment. Depending on the surrounding conditions, such as changes in light and temperature, plants modulate the activity of important transcriptional regulators. The shade avoidance syndrome (SAS) is one important mechanism for shade-intolerant plants to adapt their growth in high vegetative density. In shaded conditions plants sense a diminished red/far-red ratio via the phytochrome system and respond with morphological changes such as elongation growth of stems and petioles. The Phytochrome Interacting Factors 4 and 5 (PIF4 and PIF5) are positive regulators of the SAS and required for a full response (Lorrain et al, 2008). They regulate the SAS by inducing the expression of shade avoidance marker genes such as PIL1, ATHB2, XTR7 and HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).I investigated the molecular mechanism underlying the regulation of the SAS by HFR1 (long Hypocotyl in FR light). Although HFR1 is a PIF-related bHLH transcription factor, we discovered that HFR1 is a non-DNA binding protein. Moreover, we revealed that HFR1 inhibits an exaggerated SAS by forming non-DNA binding heterodimers with PIF4 and PIF5 (Hornitschek et al, 2009). This negative feedback loop is an important mechanism to limit elongation growth also in elevated temperatures. HFR1 accumulation and activity are highly temperature-dependent and the increased activity of HFR1 at warmer temperatures also provides an important restraint on PIF4-driven elongation growth (Foreman et al, 2011).Finally we performed a genome-wide analysis to determine how PIF4 and PIF5 regulate growth in response to shade. We identified potential PIF5- target genes, which represent many well-known shade-responsive genes. Our analysis of gene expression also revealed a role of PIF4 and PIF5 in simulated sun possibly via the regulation of auxin sensitivity.RésuméLes plantes sont des organismes sessiles ayant développé une capacité surprenante à détecter des changements dans leur environnement. En fonction des conditions extérieures, telles que les variations de lumière ou de température, elles adaptent l'activité d'importants régulateurs transcriptionnels. Le syndrome d'évitement de l'ombre (SAS), est un mécanisme important pour les plantes intolérantes à l'ombre leur permettant d'adapter leur croissance lorsqu'elles se développent dans des conditions de végétations très denses. Dans ces conditions, les plantes détectent une réduction de la quantité relative de lumière rouge par rapport à la lumière rouge-lointain (rapport R/FR). Ce changement, perçu via le système des phytochromes, induit des modifications morphologiques telle qu'une élongation des tiges et des pétioles. Les protéines PIF4 et PIF5 (Phytochrome Interacting Factors) sont des régulateurs positifs du SAS et sont nécessaires pour une réponse complète (Lorrain et al, 2008). Ces facteurs de transcription régulent le SAS en induisant l'expression de gènes marqueurs de cette réponse tels que PIL1, ATHB2, XTR7 et HFR1 (Hornitschek et al, 2009; Lorrain et al, 2008).J'ai étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à la régulation du SAS par HFR1 (long Hypocotyl in FR light). HFR1 est un facteur de transcription type bHLH de la famille des PIF, quoique nous ayons découvert que HFR1 est une protéine ne se liant pas à Γ ADN. Nous avons montré que HFR1 inhibe un SAS exagéré en formant des heterodimères avec PIF4 et PIF5 (Hornitschek et al, 2009). Nous avons également montré que cette boucle de régulation négative est également un mécanisme important pour limiter la croissance de l'élongation dans des conditions de fortes températures. De plus l'accumulation et l'activité de HFR1 augmentent avec la température ce qui permet d'inhiber plus fortement l'effet activateur de PIF4 sur la croissance.Enfin, nous avons effectué une analyse génomique à large échelle afin de déterminer comment PIF4 et PIF5 régulent la croissance en réponse à l'ombre. Nous avons identifié les gènes cibles potentiels de PIF5, correspondant en partie à des gènes connus dans la réponse de l'évitement de l'ombre. Notre analyse de l'expression des gènes a également révélé un rôle important de PIF4 et PIF5 dans des conditions de croissance en plein soleil, probablement via la régulation de la sensibilité à l'auxine.

Lipoxygenase 2 and the early steps of jasmonic acid biosynthesis in "Arabidopsis thaliana"

Résumé Les oxylipines, telles que l'acide jasmonique (AJ ou jasmonate), jouent un rôle central en réponse à la blessure et à la pathogenèse. De nombreuses études ont montré l'importance de la voie canonique du jasmonate lors de la défense des plantes. De plus, un précurseur cyclopentenone de l'AJ, l'acide oxo-phyto-dienoic (OPDA), a été impliqué comme jouant le rôle d'une molécule signal lors de la défense contre certains pathogènes. En utilisant des mutants bloqués dans la biosynthèse de l'acide jasmonique (aos) ou dans sa perception (coi1-1), nous avons cherché à définir dans quelle mesure l'OPDA joue un rôle de signal induisant l'expression génétique en réponse à la blessure chez Arabidopsis. A l'aide de puces à ADN (microarray), nous avons montré que les transcriptomes d'aos et de coi1-1 sont très semblables après blessure, ce qui suggère que les produits d'AOS sont tous perçus via COI1. Pourtant, lorsqu'on analyse les métabolites présents chez ces mutants, une différence est visible, puisque aos n'accumule pas d'AJ, alors que coi1-1 en accumule encore rapidement après blessure. Nous avons étudié la possibilité qu'un mécanisme de régulation post-traductionnelle sur la voie de biosynthèse du jasmonate explique l'accumulation d'AJ chez coi1-1 après blessure. La lipoxygenase 2 (LOX2) est la première enzyme impliquée dans la biosynthèse de l'AJ et est donc une cible potentielle d'un tel mécanisme. Un indice sur la manière dont l'activité LOX pourrait être régulée vient du mutant fou2 (pour fatty acid oxygenation upregcilated 2) dans lequel l'activité LOX ainsi que le niveau d'AJ sont constitutivement élevés. Cette mutation implique un flux de cation dans la régulation de la production de l'AJ. De plus, il a été montré que plusieurs LOXs, dans des organismes autres que des plantes, peuvent lier le calcium. Nous montrons que l'activité LOX requiert l'addition de cations divalents pour être maximale in vitro, et que non seulement le calcium mais aussi le magnésium joue ce rôle. De plus, nous caractérisons un mutant récessif de LOX2 chez Arabidopsis (lox2-1). Ces plantes sont fertiles, et une analyse quantitative montre qu'elles accumulent toujours un peu d'AJ après blessure. Ceci suggère que LOX2 n'est pas la seule LOX impliquée dans la synthèse d'AJ. Aussi les plantes lox2-1 ne sont pas plus sensibles que les plantes de type sauvage lorsqu'elles sont infectées par la moisissure Botrytis cinerea ou lorsqu'elles sont exposées à un détritivore, néanmoins elles sont plus sensibles lorsqu'elles sont offertes en nourriture à un insecte herbivore. Les insectes et les plantes ont co-évolué conjointement, ainsi une plante ne contenant qu'un niveau réduit d'AJ favorise l'insecte. La disponibilité d'un mutant avec un niveau intermédiaire d'AJ va permettre de mieux comprendre pourquoi les plantes produisent autant de jasmonate. Abstract Oxylipins such as jasmonic acid (JA) play central roles in the wound response and during pathogenesis and many studies have confirmed the important role of the canonical jasmonate pathway in plant defense. Moreover, the cyclopentenone precursor of JA, oxo-phytodienoic acid (OPDA), is also thought to function as a signaling molecule in defense towards some pathogens. Its action was reported to depend on a different signal pathway to JA. By using mutants blocked in the biosynthesis (aos) or perception (coil-1) of JA, we investigated to which extend OPDA works as signaling molecule to trigger gene expression in the wound response of Arabidopsis. Using microarrays, we showed that aos and coil-1 transcriptome are similar in response to wounding, suggesting that products of AOS are all perceived by COI1. However, we found a difference between the two mutants at the metobolomic level, since aos is devoid of JA, but coil-1 can still rapidly accumulate JA upon wounding. We investigated the possibility that the post-translational activation of JA biosynthesis could explain the fast accumulation of JA in coil-1 plants upon wounding. Lipoxygenase (LOX) 2 is the first enzyme implicated in JA synthesis and was thus chosen as a potential target for posttranslational regulation. A clue as to how LOX activity might be regulated came from the fatty acid oxygenation upregulated 2 (foul) mutant in which LOX activity and JA levels are elevated. The foul mutant implicates cations flux in the regulation of JA production, and several LOXs in organisms other than plants have been shown to bind calcium. We showed that Arabidopsis LOX requires divalent cations for full activity in vitro, and that not only calcium but also magnesium can play this role. Moreover, a single recessive mutant of AtLOX2 was characterized. These plants are fully fertile. Quantitative oxylipin analysis showed that lox2-1 can still accumulate some JA after wounding, which suggests that LOX2 is not the only LOX involved in JA biosynthesis. lox2-1 plants do not show altered susceptibility to the fungus Botrytis cinerea or to a detritivore, however, they are more susceptible to an insect herbivore. The insect and plants are closely co-evolved and a reduced ability to synthesize JA favors the insect. The availability of a lox2-1 mutant with intermediate JA levels will further help understanding why plants produce elevated JA levels.

Atomic Force Microscopy Stiffness Tomography on Living Arabidopsis thaliana Cells Reveals the Mechanical Properties of Surface and Deep Cell-Wall Layers during Growth.

Cell-wall mechanical properties play a key role in the growth and the protection of plants. However, little is known about genuine wall mechanical properties and their growth-related dynamics at subcellular resolution and in living cells. Here, we used atomic force microscopy (AFM) stiffness tomography to explore stiffness distribution in the cell wall of suspension-cultured Arabidopsis thaliana as a model of primary, growing cell wall. For the first time that we know of, this new imaging technique was performed on living single cells of a higher plant, permitting monitoring of the stiffness distribution in cell-wall layers as a function of the depth and its evolution during the different growth phases. The mechanical measurements were correlated with changes in the composition of the cell wall, which were revealed by Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. In the beginning and end of cell growth, the average stiffness of the cell wall was low and the wall was mechanically homogenous, whereas in the exponential growth phase, the average wall stiffness increased, with increasing heterogeneity. In this phase, the difference between the superficial and deep wall stiffness was highest. FTIR spectra revealed a relative increase in the polysaccharide/lignin content.

Identification and functional characterization of auxiliary enzymes of the β-oxidation in " Arabidopsis thaliana "

Abstract: The ß-oxidation is the universal pathway that allows living organisms to degrade fatty acids. leading to lipid homeostasis and carbon and energy recovery from the fatty acid molecules. This pathway is centred on four core enzymatic activities sufficient to degrade saturated fatty acids. Additional auxiliary enzymes of the ß-oxidation are necessary for the complete degradation of a larger array of molecules encompassing the unsaturated fatty acids. The main pathways of the ßoxidation of fatty acids have been investigated extensively and auxiliary enzymes are well-known in mammals and yeast. The comparison of the established ß-oxidation systems suggests that the activities that are required to proceed to the full degradation of unsaturated fatty acids are present regardless of the organism and rely on common active site templates. The precise identity of the plant enzymes was unknown. By homology searches in the genome of Arabidopsis thaliana, I identified genes. encoding for proteins that could be orthologous to the yeast or animal auxiliary enzymes Δ 3, Δ 2-enoyl-CoA isomerase, Δ 3,5, Δ 2,4 -dienoyl-CoA isomerase, and type 2 enoyl-CoA hydratase. I established that these genes are expressed in Arabidopsis and that their expression can be correlated to the expression of core ß-oxidation genes. Through the observation of chimeric fluorescent protein fusions, I demonstrated that the identified proteins are localized in the peroxisóme, the only organelle where the ß-oxidation occurs in plants. Enzymatic assays were performed with the partially purified enzymes to demonstrate that the identified enzymes can catalyze the same in vitro reactions as their non-plant orthologs. The activities in vivo of the plant enzymes were demonstrated by heterologous complementation of the corresponding yeast Saccharomyces cerevisiae mutants. The complementation was visualized using the artificial polyhydroxyalkanoate (PHA) production in yeast peroxisomes. The recombinant strains, expressing a Pseudomonas aeruginosa PHA synthase modified for a peroxisomal localization, produce this polymer that serves as a trap for the 3-hydroxyacyl-CoA intermediaries of the ßoxidation and that reflects qualitatively and quantitatively the array of molecules that are processed through the ß-oxidation. This complementation demonstrated the implication of the plant Δ 3, Δ 2-enoyl-CoA isomerases and Δ3,5, Δ2,4-dienoyl-CoA isomerase in the degradation of odd chain position unsaturated fatty acids. The presence of a monofunctional type 2 enoyl-CoA hydratase is a novel in eukaryotes. Downregulation of the corresponding gene expression in an Arabidopsis line, modified to produce PHA in the peroxisome, demonstrated thàt this enzyme 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 2Eenoyl-CoA for further degradation through the core ß-oxidation cycle. Résumé: La ß-oxydation est une voie universelle de dégradation des acides gras qui permet aux organismes vivants d'assurer une homéostasie lipidique et de récupérer l'énergie et le carbone contenus dans les acides gras. Le coeur de cette voie est composé de quatre réactions enzymatiques suffisantes à la dégradation des acides gras saturés. La présence des enzymes auxiliaires de la ß-oxydation est nécessaire à la dégradation d'une gamme plus étendue de molécules comprenant les acides gras insaturés. Les voies principales de la ß-oxydation des acides gras ont été étudiées en détail et les enzymes auxiliaires sont déterminées chez les mammifères et la levure. La comparaison entre les systèmes de ß-oxydation connus suggère que les activités requises pour la dégradation complète des acides gras insaturés reposent sur la présence de site actifs similaires. L'identité précise des enzymes auxiliaires chez les plantes était inconnue. En cherchant par homologie dans le génome de la plante modèle Arabidopsis thaliana, j'ai identifié des gènes codant pour des protéines pouvant être orthologues aux enzymes auxiliaires Δ3 Δ2-enoyl-CoA isomérase, Δ 3,5 Δ 2,4-dienoyl-CoA isomérase et enoyl-CoA hydratase de type 2 d'origine fongique ou mammalienne. J'ai établi la corrélation de l'expression de ces gènes dans Arabidopsis avec celle de gènes des enzymes du coeur de la ß-oxydation. En observant des chimères de fusion avec des protéines fluorescentes, j'ai démontré que les protéines identifiées sont localisées dans le péroxysomes, le seul organelle où la ß-oxydation se déroule chez les plantes. Des essais enzymatiques ont été conduits avec ces enzymes partiellement purifiées pour démontrer que les enzymes identifiées sont capables de catalyser in vitro les mêmes réactions que leurs orthologues non végétaux. Les activités des enzymes végétales in vivo ont été .démontrées par complémentation hétérologue des mutants de délétion correspondants de levure Saccharomyces cerevisiae. La visualisation de la complémentation est rendue possible par la synthèse de polyhydroxyalcanoate (PHA) dans les péroxysomes de levure. Les souches recombinantes expriment la PHA synthase de Pseudomonas aeruginosa modifiée pour être localisée dans le péroxysome produisent ce polymère qui sert de piège pour les 3-hydroxyacylCoAs intermédiaires de la ß-oxydation et qui reflète qualitativement et quantitativement la gamme de molécules qui subit la ß-oxydation. Cette complémentation a permis de démontrer que les Δ3, Δ2-enoyl-CoA isomérases, et la Δ3.5, Δ2,4-dienoyl-CoA isomérase végétales sont impliquées dans la dégradation des acides gras insaturés en position impaire. L'enoyl-CoA hydratase de type 2 monofonctionelle est une enzyme nouvelle chez les eucaryotes. La sous-expression du gène correspondant dans une lignée d'Arabidopsis modifiée pour produite du PHA dans le péroxysome a permis de démontrer que cette enzyme participe in vivo à la dégradation des acides gras ayant une double liaison en conformation cis (Z) en position paire.