Studies on the exaggerated inflammatory response caused by streptococcus suis at systemic and central nervous system levels

Streptococcus suis de type 2 est un microorganisme pathogène d’importance chez le porc. Il est la cause de différentes pathologies ayant comme caractéristique commune la méningite. C’est également un agent émergeant de zoonose : des cas cliniques humains ont récemment été rapportés en Asie. Cependant, la pathogénèse de S. suis n’est pas encore complètement élucidée. Jusqu’à présent, la réponse pro-inflammatoire initiée par S. suis n’a été étudiée qu’in vitro. L’étude du choc septique et de la méningite requiert toujours des modèles expérimentaux appropriés. Au cours de cette étude, nous avons développé un modèle in vivo d’infection chez la souris qui utilise la voie d’inoculation intra-péritonéale. Ce modèle a servi à l’étude de la réponse pro-inflammatoire associée à ce pathogène, tant au niveau systémique qu’au niveau du système nerveux central (SNC). Il nous a également permis de déterminer si la sensibilité aux infections à S. suis pouvait être influencée par des prédispositions génétiques de l’hôte. Le modèle d’infection par S. suis a été mis au point sur des souris de lignée CD1. Les résultats ont démontré une bactériémie élevée pendant les trois jours suivant l’infection. Celle-ci était accompagnée d’une libération rapide et importante de différentes cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-6, IL-12p40/p70, IFN-ɣ) et de chémokines (KC, MCP-1 and RANTES), qui ont entraîné un choc septique et la mort de 20 % des animaux. Ensuite, pour confirmer le rôle de l’inflammation sur la mortalité et pour déterminer si les caractéristiques génétiques de l’hôte pouvaient influencer la réponse inflammatoire et l’issue de la maladie, le modèle d’infection a été étendu à deux lignées murines consanguines différentes considérées comme résistante : la lignée C57BL/6 (B6), et sensible : la lignée A/J. Les résultats ont démontré une importante différence de sensibilité entre les souris A/J et les souris B6, avec un taux de mortalité atteignant 100 % à 20 h post-infection (p.i.) pour la première lignée et de seulement 16 % à 36 h p.i. pour la seconde. La quantité de bactéries dans le sang et dans les organes internes était similaire pour les deux lignées. Donc, tout comme dans la lignée CD1, la bactériémie ne semblait pas être liée à la mort des souris. La différence entre les taux de mortalité a été attribuée à un choc septique non contrôlé chez les souris A/J infectées par S. suis. Les souris A/J présentaient des taux exceptionnellement élevés de TNF-α, IL-12p40/p70, IL-1β and IFN- γ, significativement supérieurs à ceux retrouvés dans la lignée B6. Par contre, les niveaux de chémokines étaient similaires entre les lignées, ce qui suggère que leur influence est limitée dans le développement du choc septique dû à S. suis. Les souris B6 avaient une production plus élevée d’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, ce qui suppose que la cascade cytokinaire pro-inflammatoire était mieux contrôlée, entraînant un meilleur taux de survie. Le rôle bénéfique potentiel de l’IL-10 chez les souris infectées par S. suis a été confirmé par deux approches : d’une part en bloquant chez les souris B6 le récepteur cellulaire à l’IL-10 (IL-10R) par un anticorps monoclonal anti-IL-10R de souris et d’autre part en complémentant les souris A/J avec de l’IL-10 de souris recombinante. Les souris B6 ayant reçu le anticorps monoclonal anti-IL-10R avant d’être infectées par S. suis ont développé des signes cliniques aigus similaires à ceux observés chez les souris A/J, avec une mortalité rapide et élevée et des taux de TNF-α plus élevés que les souris infectées non traitées. Chez les souris A/J infectées par S. suis, le traitement avec l’IL-10 de souris recombinante a significativement retardé l’apparition du choc septique. Ces résultats montrent que la survie au choc septique dû à S. suis implique un contrôle très précis des mécanismes pro- et anti-inflammatoires et que la réponse anti-inflammatoire doit être activée simultanément ou très rapidement après le début de la réponse pro-inflammatoire. Grâce à ces expériences, nous avons donc fait un premier pas dans l’identification de gènes associés à la résistance envers S. suis chez l’hôte. Une des réussites les plus importantes du modèle d’infection de la souris décrit dans ce projet est le fait que les souris CD1 ayant survécu à la septicémie présentaient dès 4 jours p.i. des signes cliniques neurologiques clairs et un syndrome vestibulaire relativement similaires à ceux observés lors de méningite à S. suis chez le porc et chez l’homme. L’analyse par hybridation in situ combinée à de l’immunohistochimie des cerveaux des souris CD1 infectées a montré que la réponse inflammatoire du SNC débutait avec une augmentation significative de la transcription du Toll-like receptor (TLR)2 et du CD14 dans les microvaisseaux cérébraux et dans les plexus choroïdes, ce qui suggère que S. suis pourrait se servir de ces structures comme portes d’entrée vers le cerveau. Aussi, le NF-κB (suivi par le système rapporteur de l’activation transcriptionnelle de IκBα), le TNF-α, l’IL-1β et le MCP-1 ont été activés, principalement dans des cellules identifiées comme de la microglie et dans une moindre mesure comme des astrocytes. Cette activation a également été observée dans différentes structures du cerveau, principalement le cortex cérébral, le corps calleux, l’hippocampe, les plexus choroïdes, le thalamus, l’hypothalamus et les méninges. Partout, cette réaction pro-inflammatoire était accompagnée de zones extensives d’inflammation et de nécrose, de démyélinisation sévère et de la présence d’antigènes de S. suis dans la microglie. Nous avons mené ensuite des études in vitro pour mieux comprendre l’interaction entre S. suis et la microglie. Pour cela, nous avons infecté des cellules microgliales de souris avec la souche sauvage virulente (WT) de S. suis, ainsi qu’avec deux mutants isogéniques, un pour la capsule (CPS) et un autre pour la production d’hémolysine (suilysine). Nos résultats ont montré que la capsule était un important mécanisme de résistance à la phagocytose pour S. suis et qu’elle modulait la réponse inflammatoire, en dissimulant les composants pro-inflammatoires de la paroi bactérienne. Par contre, l’absence d’hémolysine, qui est un facteur cytotoxique potentiel, n’a pas eu d’impact majeur sur l’interaction de S. suis avec la microglie. Ces études sur les cellules microgliales ont permis de confirmer les résultats obtenus précédemment in vivo. La souche WT a induit une régulation à la hausse du TLR2 ainsi que la production de plusieurs médiateurs pro-inflammatoires, dont le TNF-α et le MCP-1. S. suis a induit la translocation du NF-kB. Cet effet était plus rapide dans les cellules stimulées par le mutant déficient en CPS, ce qui suggère que les composants de la paroi cellulaire représentent de puissants inducteurs du NF-kB. De plus, la souche S. suis WT a stimulé l’expression de la phosphotyrosine, de la PKC et de différentes cascades liées à l’enzyme mitogen-activated protein kinase (MAPK). Cependant, les cellules microgliales infectées par le mutant déficient en CPS ont montré des profils de phosphorylation plus forts et plus soutenus que celles infectées par le WT. Finalement, la capsule a aussi modulé l’expression de l’oxyde nitrique synthétase inductible (iNOS) induite par S. suis et par la production subséquente d’oxyde nitrique par la microglie. Ceci pourrait être lié in vivo à la neurotoxicité et à la vasodilatation. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes sous-tendant l’induction de l’inflammation par S. suis, ce qui devrait permettre, d’établir éventuellement des stratégies plus efficaces de lutte contre la septicémie et la méningite. Enfin, nous pensons que ce modèle expérimental d’infection chez la souris pourra être utilisé dans l’étude de la pathogénèse d’autres bactéries ayant le SNC pour cible.

Actin cytoskeleton regulates pollen tube growth and tropism

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades.

Studying the cytomechanic aspects of pollen tube growth behavior using Lab-On-Chip technology

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.

Rôle des cellules dendritiques dans la modulation de la réponse immunitaire de l'hôte contre Streptococcus suis

Streptococcus suis est un important pathogène porcin et agent zoonotique responsable de méningites et de septicémies. À ce jour, les mécanismes impliqués dans la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis sont peu connus; et il en est de même pour les stratégies utilisées par S. suis afin de déjouer cette réponse. L’augmentation de l’incidence et de la sévérité des cas humains souligne le besoin d’une meilleure compréhension des interactions entre S. suis et le système immunitaire afin de générer une réponse immunitaire efficace contre ce pathogène. Les cellules dendritiques (DCs) sont de puissantes cellules présentatrices d’antigènes qui stimulent les lymphocytes T et B, assurant la liaison entre l’immunité innée et l’immunité adaptative. L’objectif principal de ce projet était d’évaluer le rôle joué par différents facteurs de virulence de S. suis sur la modulation de la fonction des DCs et de la réponse T-dépendante. Nous avons examiné l’effet des facteurs clés pour la virulence de S. suis, dont la capsule polysaccharidique (CPS), les modifications de la paroi cellulaire (D-alanylation de l’acide lipotéichoïque et N-déacétylation du peptidoglycane) et la toxine suilysine, sur l’activation et la maturation de DCs murines dérivées de la moelle osseuse (bmDCs). Suite à l’infection par S. suis, les bmDCs sont activées et subissent un processus de maturation caractérisé par l’augmentation de l’expression de molécules de co-stimulation et la production de cytokines pro-inflammatoires. La CPS est le principal facteur interférant avec la production de cytokines, même si les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine peuvent également moduler la production de certaines cytokines. Enfin, la CPS, les modifications de la paroi cellulaire et la suilysine interfèrent avec la déposition du complément à la surface des bactéries et, en conséquence, avec le « killing » dépendant du complément. Les résultats ont été confirmés à l’aide de bmDCs porcines. Nous avons aussi voulu identifier les récepteurs cellulaires impliqués dans la reconnaissance de S. suis par les DCs. Nous avons démontré que la production de cytokines et l’expression des molécules de co-stimulation par les DCs sont fortement dépendantes de la signalisation par MyD88, suggérant que les DCs reconnaissent S. suis et deviennent activées majoritairement via la signalisation par les récepteurs de type Toll (TLRs). En effet, on remarque une diminution de la production de plusieurs cytokines ainsi que de l’expression de certaines molécules de co-stimulation chez les DCs TLR2-/- ou TLR2-/- et TLR9-/- double négatives. Finalement, le récepteur NOD2 semblait jouer un rôle partiel dans l’activation des DCs suite à une infection par S. suis.Enfin, nous avons évalué les conséquences de la modulation des fonctions des DCs sur le développement de la réponse T-dépendante. Les splénocytes totaux produisent plusieurs cytokines en réponse à S. suis. Des analyses in vivo et ex vivo ont permis d’observer l’implication des cellules T CD4+ et le développement d’une réponse de type « T helper » 1 (TH1) bien que la quantité de cytokines TH1 produites lors de l’infection in vivo par S. suis demeure assez basse. La CPS de S. suis interfère avec la production de plusieurs cytokines par les cellules T in vitro. Expérimentalement, l’infection induite par S. suis résulte en de faibles niveaux de production d’anticorps anti-S. suis, mais aussi d’anticorps dirigés contre l’ovalbumine utilisée comme antigène rapporteur. Cette interférence est corrélée avec la sévérité des signes cliniques, suggérant que S. suis interfère avec le développement d’une réponse immunitaire adaptative appropriée qui serait requise pour contrôler la progression de l’infection. Les résultats de cette étude mèneront à une meilleure compréhension de la réponse immunitaire de l’hôte lors de l’infection par S. suis.

Étude d'un nouveau facteur impliqué dans la biosynthèse de la paroi bactérienne : le facteur ElyC

La résistance bactérienne aux antibiotiques est de nos jours une préoccupation majeure aux acteurs du monde de la santé publique. L’identification de nouvelles cibles bactériennes en vue de développer de nouveaux antibiotiques est donc nécessaire. La paroi bactérienne est une bonne cible car l’inhibition de sa biosynthèse cause la mort des bactéries. De récents travaux de notre laboratoire ont identifié de nombreux nouveaux facteurs importants pour la biosynthèse de la paroi chez Escherichia coli. L’un de ces facteurs renommé ElyC a un domaine DUF218 extrêmement conservé à travers les espèces bactériennes. L’absence du gène elyC entraîne la lyse bactérienne à température pièce. Des études bioinformatiques indiquent qu’ElyC est une protéine membranaire avec deux domaines transmembranaires et un domaine conservé DUF218 de fonction inconnue. Étant donné que les protéines agissent souvent en complexes, nous avons émis l’hypothèse qu’ElyC interagit avec d’autres protéines afin d'exécuter sa fonction biologique. Le but de mon projet est de déterminer la topologie d’ElyC et d’identifier ses partenaires protéiques. L’étude de la topologie a été faite par l’essai de modification de cystéine sur des souches exprimant individuellement le facteur ElyC avec un résidu cystéine en position N-terminale, dans la boucle ou en position C-terminale. Les partenaires protéiques d’ElyC ont été isolés par immuno-précipitation et identifiés par spectrométrie de masse. Les résultats obtenus ont révélé qu’ElyC est une protéine membranaire chez E. coli et est impliquée dans l'assemblage de l'enveloppe bactérienne, dans la chaîne de transport d'électrons et la phosphorylation oxydative. Ils ont permis aussi de confirmer l’existence d’un lien entre ElyC et le stress oxydatif. Cependant les résultats pour la détermination de la topologie restent à être clarifiés.

A marine candida sake as source of immunostimulants to fenneropenaeus indicus

Aquaculture has developed rapidly over the last three decades to become an important activity worldwide.The Food and Agricultural Organization (FAO) of the UN acknowledge that global fishery output must be increased by at least 50% to offset projected shortfalls in dietary protein by 2030.LAquaculture has developed rapidly over the last three decades and has become an importat industry as today’s demand for fish exceeds the natural supply.lmmunostimulants are chemical compounds that activate the immune system of animals and render them more resistant to infections by viruses, bacteria, fungi, and parasites. lmmunostimulants have been obtained from diverse natural sources where, microbial cell wall acts as the main source.The salient findings of the study are summariseSeven marine yeasts were screened for growth promoting and immunostimulant property in F. indicus. Candida sake S165 was found to be best in terms of its support for growth and protection against white spot virus infection.The study revealed that marine yeast Candida sake can be effectively used as potential source of immunostimulants for application in penaeid prawns culture systems. The study emphasise the fact that the dose and frequency of application of immunostimulants are to be standardised and validated before commercialisation to achieve optimum stimulation of the immune system and to avoid immune fatigue die to verdose.Marine yeast (whole cell) was found to support better immunostimulation compared to its cell wall component B-1,3-glucan. This study shows that administration of marine yeast (whole cell) or B-1,3-glucan as immunostimulants in aquaculture would definitely help in protection of the stock to a few more days even though total protection is not being imparted. This partial protection itself would be highly helpful to the farming industry so that they can get sufficient time to plan for a safe harvest and save the crop from cent percent mortality.

Biochemical and Biotechnological Studies on the Cyanobacterium Synechocystis salina Wislouch

The group cyanobacteria includes a large number of organisms characterised by a low state of cellular organization. Their cells lack a well defined nucleus. Cell division is by division of the protoplast by an ingrowth of the septum. These organisms are characterised generally by a blue green colouration of the cell, the chief pigments being chlorophyll-a, carotenes, xanthophylls, C phycocyanin and C phycoerythrin. The product of photosynthesis is glycogen. These organisms lack flagellate reproductive bodies and there is a total lack of sexual reproduction. They are also unique because of the presence of murein in the place of cellulose (cell wall) and the absence of chloroplast, mitochondria and endoplasmic reticulum. Just like bacteria some of them possess Plasmids and can fix atmospheric nitrogen. In the present study growth kinetics, heavy metal tolerance, tolerance mechanisms, heavy metal intake, and antibacterial activity of §ynechocystics salina Wislouch - a nanoplanktonic, euryhaline, Cyanobacterium present in Cochin back waters has been carried out for the potential biotechnological application of this organism. _§; salina occur as small spherical cells of 3n diameter (sometimes in pairs) with bluish green colour. The species is characterised by jerky movement of the cells and is structrually similar to other cyanobacteria

Reducing Vibrio load in Artemia nauplii usingantimicrobial photodynamic therapy: a promising strategy to reduce antibiotic application in shrimp larviculture

We propose antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) as an alternative strategy to reduce the use of antibiotics in shrimp larviculture systems. The growth of a multiple antibiotic resistant Vibrio harveyi strain was effectively controlled by treating the cells with Rose Bengal and photosensitizing for 30 min using a halogen lamp. This resulted in the death of > 50% of the cells within the first 10 min of exposure and the 50% reduction in the cell wall integrity after 30 min could be attributed to the destruction of outer membrane protein of V. harveyi by reactive oxygen intermediates produced during the photosensitization. Further, mesocosm experiments with V. harveyi and Artemia nauplii demonstrated that in 30 min, the aPDT could kill 78.9% and 91.2% of heterotrophic bacterial and Vibrio population respectively. In conclusion, the study demonstrated that aPDT with its rapid action and as yet unreported resistance development possibilities could be a propitious strategy to reduce the use of antibiotics in shrimp larviculture systems and thereby, avoid their hazardous effects on human health and the ecosystem at large.

Microbial relatives of the seed storage proteins of higher plants: conservation of structure and diversification of function during evolution of the cupin superfamily.

This review summarizes the recent discovery of the cupin superfamily (from the Latin term "cupa," a small barrel) of functionally diverse proteins that initially were limited to several higher plant proteins such as seed storage proteins, germin (an oxalate oxidase), germin-like proteins, and auxin-binding protein. Knowledge of the three-dimensional structure of two vicilins, seed proteins with a characteristic beta-barrel core, led to the identification of a small number of conserved residues and thence to the discovery of several microbial proteins which share these key amino acids. In particular, there is a highly conserved pattern of two histidine-containing motifs with a varied intermotif spacing. This cupin signature is found as a central component of many microbial proteins including certain types of phosphomannose isomerase, polyketide synthase, epimerase, and dioxygenase. In addition, the signature has been identified within the N-terminal effector domain in a subgroup of bacterial AraC transcription factors. As well as these single-domain cupins, this survey has identified other classes of two-domain bicupins including bacterial gentisate 1, 2-dioxygenases and 1-hydroxy-2-naphthoate dioxygenases, fungal oxalate decarboxylases, and legume sucrose-binding proteins. Cupin evolution is discussed from the perspective of the structure-function relationships, using data from the genomes of several prokaryotes, especially Bacillus subtilis. Many of these functions involve aspects of sugar metabolism and cell wall synthesis and are concerned with responses to abiotic stress such as heat, desiccation, or starvation. Particular emphasis is also given to the oxalate-degrading enzymes from microbes, their biological significance, and their value in a range of medical and other applications.

Sequence analysis of the cupin gene family in Synechocystis PCC6803

The recently described cupin superfamily of proteins includes the germin and germinlike proteins, of which the cereal oxalate oxidase is the best characterized. This superfamily also includes seed storage proteins, in addition to several microbial enzymes and proteins with unknown function. All these proteins are characterized by the conservation of two central motifs, usually containing two or three histidine residues presumed to be involved with metal binding in the catalytic active site. The present study on the coding regions of Synechocystis PCC6803 identifies a previously unknown group of 12 related cupins, each containing the characteristic two-motif signature. This group comprises 11 single-domain proteins, ranging in length from 104 to 289 residues, and includes two phosphomannose isomerases and two epimerases involved in cell wall synthesis, a member of the pirin group of nuclear proteins, a possible transcriptional regulator, and a close relative-of a cytochrome c551 from Rhodococcus. Additionally, there is a duplicated, two-domain protein that has close similarity to an oxalate decarboxylase from the fungus Collybia velutipes and that is a putative progenitor of the storage proteins of land plants.

Germin, a protein marker of early plant development, is an oxalate oxidase

Germin is a homopentameric glycoprotein, the synthesis of which coincides with the onset of growth in germinating wheat embryos. There have been detailed studies of germin structure, biosynthesis, homology with other proteins, and of its value as a marker of wheat development. Germin isoforms associated with the apoplast have been speculated to have a role in embryo hydration during maturation and germination. Antigenically related isoforms of germin are present during germination in all of the economically important cereals studied, and the amounts of germin-like proteins and coding elements have been found to undergo conspicuous change when salt-tolerant higher plants are subjected to salt stress. In this report, we describe how circumstantial evidence arising from unrelated studies of barley oxalate oxidase and its coding elements have led to definitive evidence that the germin isoform made during wheat germination is an oxalate oxidase. Establishment of links between oxalate degradation, cereal germination, and salt tolerance has significant implications for a broad range of studies related to development and adaptation in higher plants. Roles for germin in cell wall biochemistry and tissue remodeling are discussed, with special emphasis on the generation of hydrogen peroxide during germin-induced oxidation of oxalate.

In vitro degradability of mature and immature leaves of tropical forage legumes differing in condensed tannin and non-starch polysaccharide content and composition

A study was designed to examine the relationships between protein, condensed tannin and cell wall carbohydrate content and composition and the nutritional quality of seven tropical legumes (Desmodium ovalifolium, Flemingia macrophylla, Leucaena leucocephala, L pallida, L macrophylla, Calliandra calothyrsus and Clitotia fairchildiana). Among the legume species studied, D ovalifolium showed the lowest concentration of nitrogen, while L leucocephala showed the highest. Fibre (NDF) content was lowest in C calothyrsus, L Leucocephala and L pallida and highest in L macrophylla, which had no measurable condensed tannins. The highest tannin concentration was found in C calothyrsus. Total non-structural polysaccharides (NSP) varied among legumes species (lowest in C calothyrsus and highest in D ovalifolium), and glucose and uronic acids were the most abundant carbohydrate constituents in all legumes. Total NSP losses were lowest in F macrophylla and highest in L leucocephala and L pallida. Gas accumulation and acetate and propionate levels were 50% less with F macrophylla and D ovalifolium as compared with L leucocephala. The highest levels of branched-chain fatty acids were observed with non-tanniniferous legumes, and negative concentrations were observed with some of the legumes with high tannin content (D ovalifolium and F macrophylla). Linear regression analysis showed that the presence of condensed tannins was more related to a reduction of the initial rate of gas production (0-48 h) than to the final amount of gas produced or the extent (144h) of dry matter degradation, which could be due to differences in tannin chemistry. Consequently, more attention should be given in the future to elucidating the impact of tannin structure on the nutritional quality of tropical forage legumes. (C) 2003 Society of Chemical Industry.

Alternative methodologies - stretching the in vitro box

Current gas-based in vitro evaluation systems are extremely powerful research techniques. However they have the potential to generate a great deal more than simple fermentation dynamics. Details from four experiments are presented in which adaptation, and novel application, of an in vitro system allowed widely differing objectives to be examined. In the first two studies, complement methodologies were utilised. In such assays, an activity or outcome is inferred through the occurrence of a secondary event rather than by direct observation. Using an N-deficient incubation medium, the increase in starch fermentation, when supplemented with individual amino acids (i.e., known level of N) relative to that of urea (i.e., known quantity and N availability), provided an estimate of their microbial utilisation. Due to the low level of response observed with some arnino acids (notably methionine and lysine), it was concluded, that they may not need to be offered in a rumen-inert form to escape rumen microbial degradation. In another experiment, the extent to which degradation of plant cell wall components was inhibited by lipid supplementation was evaluated using fermentation gas release profiles of washed hay. The different responses due to lipid source and level of inclusion suggested that the degree of rumen protection required to ameliorate this depression was supplement dependent. That in vitro inocula differ in their microbial composition is of little interest per se, as long as the outcome is the same (i.e., that similar substrates are degraded at comparable rates and end-product release is equivalent). However where a microbial population is deficient in a particular activity, increasing the level of inoculation will have no benefit. Estimates of hydrolytic activity were obtained by examining fermentation kinetics of specific substrates. A number of studies identified a fundamental difference between rumen fluid and faecal inocula, with the latter having a lower fibrolytic activity, which could not be completely attributed to microbial numbers. The majority of forage maize is offered as an ensiled feed, however most of the information on which decisions such as choice of variety, crop management and harvesting date are made is based on fresh crop measurements. As such, an attempt was made to estimate ensiled maize quality from an in vitro analysis of the fresh crop. Fermentation profiles and chemical analysis confirmed changes in crop composition over the growing season, and loss of labile carbohydrates during ensiling. In addition, examination of degradation residues allowed metabolizable energy (ME) contents to be estimated. Due to difficulties associated with starch analysis, the observation that this parameter could be predicted by difference (together with an assumed degradability), allowed an estimate of ensiled maize ME to be developed from fresh material. In addition, the contribution of the main carbohydrates towards ME showed the importance of delaying harvest until maximum starch content has been achieved. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Microbe-associated molecular pattern (MAMP) signatures, synergy, size and charge: influences on perception or mobility and host defence responses

Triggering of defences by microbes has mainly been investigated using single elicitors or microbe-associated molecular patterns (MAMPs), but MAMPs are released in planta as complex mixtures together with endogenous oligogalacturonan (OGA) elicitor. We investigated the early responses in Arabidopsis of calcium influx and oxidative burst induced by non-saturating concentrations of bacterial MAMPs, used singly and in combination: flagellin peptide (flg22), elongation factor peptide (elf18), peptidoglycan (PGN) and component muropeptides, lipo-oligosaccharide (LOS) and core oligosaccharides. This revealed that some MAMPs have additive (e.g. flg22 with elf18) and even synergistic (flg22 and LOS) effects, whereas others mutually interfere (flg22 with OGA). OGA suppression of flg22-induced defences was not a result of the interference with the binding of flg22 to its receptor flagellin-sensitive 2 (FLS2). MAMPs induce different calcium influx signatures, but these are concentration dependent and unlikely to explain the differential induction of defence genes [pathogenesis-related gene 1 (PR1), plant defensin gene 1.2 (PDF1.2) and phenylalanine ammonia lyase gene 1 (PAL1)] by flg22, elf18 and OGA. The peptide MAMPs are potent elicitors at subnanomolar levels, whereas PGN and LOS at high concentrations induce low and late host responses. This difference might be a result of the restricted access by plant cell walls of MAMPs to their putative cellular receptors. flg22 is restricted by ionic effects, yet rapidly permeates a cell wall matrix, whereas LOS, which forms supramolecular aggregates, is severely constrained, presumably by molecular sieving. Thus, MAMPs can interact with each other, whether directly or indirectly, and with the host wall matrix. These phenomena, which have not been considered in detail previously, are likely to influence the speed, magnitude, versatility and composition of plant defences.

Modification of hemicellulose content by antisense down-regulation of UDP-glucuronate decarboxylase in tobacco and its consequences for cellulose extractability

Extractability and recovery of cellulose from cell walls influences many industrial processes and also the utilisation of biomass for energy purposes. The utility of genetic manipulation of lignin has proven potential for optimising such processes and is also advantageous for the environment. Hemicelluloses, particularly secondary wall xylans, also influence the extractability of cellulose. UDP-glucuronate decarboxylase produces UDP-xylose, the precursor for xylans and the effect of its down-regulation on cell wall structure and cellulose extractability in transgenic tobacco has been investigated. Since there are a number of potential UDP-glucuronate decarboxylase genes, a 490 bp sequence of high similarity between members of the family, was chosen for general alteration of the expression of the gene family. Sense and antisense transgenic lines were analysed for enzyme activity using a modified and optimised electrophoretic assay, for enzyme levels by western blotting and for secondary cell wall composition. Some of the down-regulated antisense plants showed high glucose to xylose ratios in xylem walls due to less xylose-containing polymers, while arabinose and uronic acid contents, which could also have been affected by any change in UDP-xylose provision, were unchanged. The overall morphology and stem lignin content of the modified lines remained little changed compared with wild-type. However, there were some changes in vascular organisation and reduction of xylans in the secondary walls was confirmed by immunocytochemistry. Pulping analysis showed a decreased pulp yield and a higher Kappa number in some lines compared with controls, indicating that they were less delignified, although the level of residual alkali was reduced. Such traits probably indicate that lignin was less available for removal in a reduced background of xylans. However, the viscosity was higher in most antisense lines, meaning that the cellulose was less broken-down during the pulping process. This is one of the first studies of a directed manipulation of hemicellulose content on cellulose extractability and shows both positive and negative outcomes.