Responses of yield and N use of spring sown crops to N fertilization, with special reference to the use of plant growth regulators

Selostus: Typpilannoituksen ja kasvunsääteiden vaikutukset kevätviljojen ja rypsin satoon sekä typen käyttöön

" 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.

Organisation and role of actin microfilaments during cellular growth and morphogenesis in the moss Physcomitrella patens

ABSTRACT The network of actin cytoskeleton is composed of actin filaments (F-actin) that are made by polymerisation of actin monomers and actin binding proteins. It is required for growth and morphogenesis of eukaryotic cells. The labelling of F-actin with constitutively expressed GFP-Talin (Kost et al., 1998) reveals the organisation of cellular actin networks in plants. Due to the lack of information on actin cytoskeleton through gametophytic development of the model moss plant Physcornitrella patens, stable transgenic lines overexpressing GFP-Talin were generated to detect F-actin structures. It is shown that the 35S promoter driven expression is not suitable for F-actin labelling in all cells. When it is replaced by the inducible heat-shock promoter Gmhsp17.3 from soybean, one hour mild heat stress at 37°C followed by recovery at 25°C is enough to induce efficient and transient labelling in all tissues without altering cellular morphology. The optimal observations of F-actin structures at different stages of moss development can be done between 12-18 hours after the induction. By using confocal microscopy, we demonstrate that stellated actin arrays were densely accumulated at the growing tip in regenerating protoplasts, apical protonemal cells and rhizoids and connected with a fine dispersed F-actin mesh. Following three-dimensional growth, the cortical star-like structures are widespread in the meristematic cells of developing bud and young gametophores. On the contrary, undulating networks of actin cables are found at the final stage of cell differentiation. During redifferentiation of mature leaf cells into protonemal filaments the rather stagnant web of actin cables is replaced by diffuse actin meshwork. In eukaryotes, nucleation of the actin monomers prior to their polymerization is driven by the seven-subunit ARP2/3 complex and formins. We cloned the gene encoding the ARP3 subunit of P. patens and generated arp3 mutants of the moss through gene disruption. The knockout of ARP3 affects the elongation of chloronemal cells and blocks further differentiation of caulonemal cells and rhizoids, and the gametophores are slightly stunted compared to wild-type. The arp mutants were created in the heat-shock inducible GFP-Talin strains allowing us to visualise a disorganised actin network and a lack of star-like actin cytoskeleton arrays. We conclude that ARP2/3 dependent nucleation of actin filaments is critical for the growth of filamentous cells, which in turn influences moss colonization. In complementation assays, the overexpression of Physcomitrella and Arab idopsis ARP3 genes in the moss arp3 mutant results in full recovery of wild type phenotype. In contrast the ARP3 subunit of fission yeast is not able to complement the moss arp3 mutant of moss indicating that regulation of the ARP2/3 dependent actin nucleation diverged in different kingdoms. RESUME Le réseau d'actine est composé de filaments de F-actine et d'un ensemble de protéines s'y attachant (Actin binding proteins). Le réseau d'actine est nécessaire à la croissance et à la morphogenèse de toutes les cellules eucaryotes. Chez les plantes, le marquage ainsi que l'étude de l'organisation du réseau d'actine ont été réalisés en utilisant une fusion GFP-Talin (Kost et al., 1998) exprimée sous le control d'un promoteur constitutif. Afin d'étudier les structures F-actine dans les cellules de Physcomitrella Patens et pour combler le manque d'information sur le développement des gamétophores, des lignées transgéniques stables surexprimant GFP-Talin ont été crées. Nous avons démontré que l'utilisation du promoteur 35S est inadéquate pour le marquage complet et homogène des filaments d'actine dans toutes les cellules de P. patens. Par contre, l'utilisation du promoteur inductible Gmhsp17.3 nous a permis de réaliser un marquage transitoire et général dans tous les tissus de la mousse. Une heure de choc thermique à 37°C suivis d'un temps de récupération de 12-18h à 25°C sont les conditions optimales (sans dommages cellulaires) pour l'observation des structures F-actine à différentes étapes de développement de la mousse. En utilisant la microscopie confocale, nous avons observé l'existence de structures F-actine accumulées en forme d'étoiles. Ces structures, qui sont liées au réseau de microfilaments d'actine, ont été observées dans les protoplastes en régénération, les cellules des protonema apicales ainsi que dans les rhizoïdes. En suivant la croissance tridimensionnelle, ces structures en étoiles ont été observées dans les cellules meristématiques des bourgeons et des jeunes gamétophores. Par contre, dans les cellules différentiées ces structures laissent place à des réseaux de câbles épais. Nous avons également remarqué que durant la redifferentiation des cellules foliaires le réseau de câbles de F-actine est remplacé par un réseau de F-actine diffus. Dans les cellules eucaryotes, la nucléation des filaments d'actirie précédant leur polymérisation est contrôlé par sept sous unités du complexe ARP2/3 et par des formines. Nous avons isolé le gène codant pour la sous unité ARP3 de P. patens et nous avons crée des mutants arp3 par intégration ciblée (Knockout). L'élongation des cellules chloronema est clairement affectée dans les mutants arp3. La différentiation des caulonemata et des rhizoïdes est bloquée et les gametophores sont légèrement plus courts comparé au type sauvage. A fin d'étudier l'organisation des filaments d'actines dans les mutants arp3, nous avons aussi réalisé un arp3-knockout dans la lignée Hsp-GFP-Talin. La nouvelle lignée générée nous a permis de visualiser une désorganisation du réseau d'actine et une absence complète de structures de F-actine accumulée en forme d'étoiles. Les résultats obtenus nous amènent à conclure que la nucléation (ARP2/3 dépendante) des filaments d'actine est indispensable à la croissance des cellules filamenteuses. Par conséquent, les filaments d'actine semblent avoir un rôle dans la colonisation des milieux par les mousses. Nous avons également procédé à des essais de complémentation du mutant arp3. La surexpression des gènes ARP3 de Physcomitrella et d'Arabidopsis dans les cellules du mutant arp3 rétabli complètement le phénotype WT. Par contre, le gène ARP3 des levures n'est pas suffisant pour complémenter la même mutation dans les cellules de mousses. Ce résultat démontre que les mécanismes de régulation de la nucléation des filaments d'actine (ARP2/3 dépendante) sont différents entre les différents groupes d'eucaryotes.

Fruit and seed morphology of Euphorbia aggr. flavicoma. Taxonomic implications

Capsula and seed morphology of W. European species of Euphorbia aggr. flavicoma has been studied. A total of 1500 seeds coming from 13 taxa have been investigated under light microscope, scanning electron microscope and binocular stereoscope. Data were processed by multivariate analysis and the corresponding dendrogram is presented. At de end of the paper, a key is presented allowing to the separation of taxa down to the species level.

Ursinia nana (Anthemideae, Asteraceae), and adventive from South Africa which is becoming naturalized in the Iberian Peninsula. Observations about its reproductive biology and fruit dispersal mechanism.

The presence of Ursinia nana, an Anthemideae of South-African origin which has been introduced into the NE Iberian Peninsula, is reported for the fi rst time in Europe. The data offered cover its precise location, morphology, chromosome number, ecology and a population census, as well as its life cycle, fl oral structure, reproductive biology and fruit dispersal mechanisms. Of special note are the clear predominance of autogamy (geitonogamy) over xenogamy as a reproductive system and the large number of fruits produced with high and immediate germinative capacity. These characteristics permit rapid colonization by the introduced species, which can become invasive. However, fruit predation by the ant Messor barbarus points to a natural mechanism that helps regulate population growth and makes biological control possible. Finally its possibilities of expansion in the colonized area and of naturalization in the NE Iberian Peninsula are assessed.

Calibration of a desktop scanner and digital image analysis procedure for quantification of a root morphology

Selostus: Tasoskannerin ja digitaalisen kuva-analyysimenetelmän kalibrointi juurten morfologian kvantifioimiseksi

Seed morphology of Iberian Species of the genus Aconitum L.

Es presenta un estudi morfològic-biomètric de les granes deis taxons del genere Aconitum L. presents a la Península Ibérica. Es tracten aspectes que fan referencia a: 1) disposició de les granes al fol-licle, 2) definido de paramètres (forma general i ornamentado de l'episperma), 3) biometria i 4) descripció de les granes deis représentants ibérics. Els microcaràcters relacionats fonamentalment amb el relleu epispérmic, forma i ornamentado de la base d'inserció (hílum i cél-lules umbil-licals), son els que es mostren mes utils per discriminar els taxons i els que proporcionen mes informado filogenética. Els résultats que s'exposen coincideixen, en línies generals, amb els d'altres autors (SEITZ, 1969; CAPPELETTI & POLDINI, 1984). Es presenten, tanmateix, discrepancies importants pel que fa a la morfología seminal, en especial de l'ornamentació de l'episperma, en les especies A. anthora, A. napellus s.l., A. burnatii i A. vulparia subsp. ranunculifoiium. Es presenta, sovint, polimorfisme seminal en les diferentes poblacions, aïllades geogràficament, d'una mateixa especie o subspècie, tant en el context ibèric com d'Europa central i meridional. Es conclou que aquest polimorfisme és una manifestado mes de la plasticitat fenotípica del genere, particularment intensa en les especies colonitzadores d'àmplia valencia ecológica (A. napellus, s.l.; A. vulparia, s.l.), possiblement conseqiiència de la deriva genética de les poblacions.

Rapid and sensitive hormonal profiling of complex plant samples by liquid chromatography coupled to electrospray ionization tandem mass spectrometry

Background Plant hormones play a pivotal role in several physiological processes during a plant's life cycle, from germination to senescence, and the determination of endogenous concentrations of hormones is essential to elucidate the role of a particular hormone in any physiological process. Availability of a sensitive and rapid method to quantify multiple classes of hormones simultaneously will greatly facilitate the investigation of signaling networks in controlling specific developmental pathways and physiological responses. Due to the presence of hormones at very low concentrations in plant tissues (10-9 M to 10-6 M) and their different chemistries, the development of a high-throughput and comprehensive method for the determination of hormones is challenging. Results The present work reports a rapid, specific and sensitive method using ultrahigh-performance liquid chromatography coupled to electrospray ionization tandem spectrometry (UPLC/ESI-MS/MS) to analyze quantitatively the major hormones found in plant tissues within six minutes, including auxins, cytokinins, gibberellins, abscisic acid, 1-amino-cyclopropane-1-carboxyic acid (the ethylene precursor), jasmonic acid and salicylic acid. Sample preparation, extraction procedures and UPLC-MS/MS conditions were optimized for the determination of all plant hormones and are summarized in a schematic extraction diagram for the analysis of small amounts of plant material without time-consuming additional steps such as purification, sample drying or re-suspension. Conclusions This new method is applicable to the analysis of dynamic changes in endogenous concentrations of hormones to study plant developmental processes or plant responses to biotic and abiotic stresses in complex tissues. An example is shown in which a hormone profiling is obtained from leaves of plants exposed to salt stress in the aromatic plant, Rosmarinus officinalis.

Response to comment on "Climatic niche shifts are rare among terrestrial plant invaders"

Webber et al. take a critical view of our findings that niche expansions are rare in plant invaders, arguing mainly that we did not include nonanalog climates in our analyses. Yet, their concerns include misunderstandings and go beyond the scope of our study, which was purposely restricted to analog climates. We further explain why our results remain robust to other factors of niche dynamics in the native range. We conclude that the implications of our findings remain valid for projections of niche models in analog climates and that projections in nonanalog climates should be undertaken with care.

Plant development: should I stop or should I grow?

Plant growth is tightly controlled through the integration of environmental cues with the physiological status of the seedling. A recent study now proposes a model explaining how the plant hormone ethylene triggers opposite growth responses depending on the light environment.

Detection of plant-modulated alterations in antifungal gene expression in Pseudomonas fluorescens CHA0 on roots by flow cytometry.

The biocontrol activity of the root-colonizing Pseudomonas fluorescens strain CHA0 is largely determined by the production of antifungal metabolites, especially 2,4-diacetylphloroglucinol. The expression of these metabolites depends on abiotic and biotic environmental factors, in particular, elements present in the rhizosphere. In this study, we have developed a new method for the in situ analysis of antifungal gene expression using flow cytometry combined with green fluorescent protein (GFP)-based reporter fusions to the phlA and prnA genes essential for the production of the antifungal compounds 2,4-diacetylphloroglucinol and pyrrolnitrin, respectively, in strain CHA0. Expression of phlA-gfp and prnA-gfp in CHA0 cells harvested from the rhizosphere of a set of plant species as well as from the roots of healthy, leaf pathogen-attacked, and physically stressed plants were analyzed using a FACSCalibur. After subtraction of background fluorescence emitted by plant-derived particles and CHA0 cells not carrying the gfp reporters, the average gene expression per bacterial cell could be calculated. Levels of phlA and prnA expression varied significantly in the rhizospheres of different plant species. Physical stress and leaf pathogen infection lowered phlA expression levels in the rhizosphere of cucumber. Our results demonstrate that the newly developed approach is suitable to monitor differences in levels of antifungal gene expression in response to various plant-derived factors. An advantage of the method is that it allows quantification of bacterial gene expression in rhizosphere populations at a single-cell level. To our best knowledge, this is the first study using flow cytometry for the in situ analysis of biocontrol gene expression in a plant-beneficial bacterium in the rhizosphere.

Plant architecture of Paspalum vaginatum schwartz modified by nitrate and ammonium nutrition

Paspalum vaginatum Schwartz plants were grown under greenhouse conditions in a continuous-flow hydroponic culture, containing NO3- or NH4+or NH4NO3 as nitrogen source. After 30 days, the size of aerial biomass and root system decreased significantly when plants were supplied with NH4+as exclusive nitrogen source. Compared to NO3- treatment, reducing and non-reducing sugars were decreasing together with a significant increase in amino acids content. NH4+-nutrition caused tillers to grow toward an orthogravitropic position (average angle of 68° with respect to the horizontal), and with NO3--nutrition, tillers tended to become diagravitropic (average angle of 23°). With NH4NO3 all the parameters measured had values in between those of the other two sources. Thus, the morphologic differences among plants growing in NO3- or NH4+ nutrition confirm the hypothesis that nitrogen source determines the growth habit of tillers in P. vaginatum by modulating the endogenous levels of reducing-non-reducing sugars.