Comparative genomic analysis of plant-associated bacteria

This review deals with a comparative analysis of seven genome sequences from plant-associated bacteria. These are the genomes of Agrobacterium tumefaciens, Mesorhizobium loti, Sinorhizobium meliloti, Xanthomonas campestris pv campestris, Xanthomonas axonopodis pv citri, Xylella fastidiosa, and Ralstonia solanacearum. Genome structure and the metabolism pathways available highlight the compromise between the genome size and lifestyle. Despite the recognized importance of the type III secretion system in controlling host compatibility, its presence is not universal in all necrogenic pathogens. Hemolysins, hemagglutinins, and some adhesins, previously reported only for mammalian pathogens, are present in most organisms discussed. Different numbers and combinations of cell wall degrading enzymes and genes to overcome the oxidative burst generally induced by the plant host are characterized in these genomes. A total of 19 genes not involved in housekeeping functions were found common to all these bacteria.

Amplificação, clonagem e sequenciamento de promotores de café (Coffea arabica cv Mundo Novo) específicos de fruto e ubíquos

The Coffee Genome Project made available to the scientific community relevant information that made practical the identification and cloning of important genes, as well as the identification of the major sequences involved on their regulation. The aim of the present study was to amplify, clone and sequence coffee promoters with specific expression patterns. For that, coffee ESTs which known expression profiles were employed. First, the promoter regions of coffee genes showing, respectively, fruitspecific and ubiquitous expression were amplified using the Genome Walking strategy. Amplified sequences were then inserted in the pGEM-Teasy vector (Promega) and sequenced. Once completed the sequencing, an expression cassette was constructed using the binary vector pCAMBIA-1381z (Cambia). These expression cassettes were cloned into Agrobacterium tumefaciens, and transgenic tobacco plants were generated aiming the functional characterization of these promoters

Antitumor and cytotoxic activity of Kielmeyera coriacea mart. Zucc. and Pyrostegia venusta (ker-gawl.) Miers extracts

This study aimed to investigate the antitumor and cytotoxicity activities of Kielmeyera coriacea and Pyrostegia venusta extracts. Therefore, the hydroalcoholic extracts of P. venusta flowers and K. coriacea leaves were prepared. The extracts were evaporated and the dry extracts were diluted at concentrations of 1.0, 0.1, 0.01 and 0.001 mg/ml for carrying out the bioassays. Artemia salina eggs were incubated in saline solution at 28°C for 24 h. The larvae were treated with different extracts concentrations and the mortality was evaluated after 24 and 48 h. Five discs of potato were placed in Petri dishes and 50 μl of inoculum of Agrobacterium tumefaciens were added to it at 28°C for 24 h incubation. So, 50 μl of the extracts in different concentrations were added. Positive and negative controls were made. The P. venusta and K. coriacea extracts did not show statistically significant acute toxicity. K. coriacea extract showed (mean% of tumor ± standard deviation) 15.30 ± 3.24, 6.34 ± 3.82, 7.57 ± 2.92 and 5.77 ± 2.85 and P. venusta showed 25.82 ± 5.15, 38.40 ± 8.28, 15.75 ± 4.44 and 13.38 ± 7.92, with their concentrations for the antitumor bioassay, and the positive control showed 25.80 ± 6.14. According to the obtained results it was established that the K. coriacea and P. venusta extracts showed antitumor activity but did not show significant cytotoxic activity in A. salina test.

Obtenção e caracterização molecular e fisiológica de plantas de soja contendo o gene AtGolS2 sob déficit hídrico

Pós-graduação em Agronomia (Genética e Melhoramento de Plantas) - FCAV

GUS expression in sweet oranges (Citrus sinensis L. Osbeck) driven by three different phloem-specific promoters

Huanglongbing (HLB) is associated with Candidatus Liberibacter spp., endogenous, sieve tube-restricted bacteria that are transmitted by citrus psyllid insect vectors. Transgenic expression in the phloem of specific genes that might affect Ca. Liberibacter spp. growth and development may be an adequate strategy to improve citrus resistance to HLB. To study specific phloem gene expression in citrus, we developed three different binary vector constructs with expression cassettes bearing the beta-glucuronidase (GUS) reporter gene (uidA) under the control of one of the three different promoters: Citrus phloem protein 2 (CsPP2), Arabidopsis thaliana phloem protein 2 (AtPP2), and Arabidopsis thaliana sucrose transporter 2 (AtSUC2). Transgenic lines of 'Hamlin', 'Pera', and 'Valencia' sweet oranges [Citrus sinensis (L.) Osbeck] were produced via Agrobacterium tumefaciens transformation. The epicotyl segments collected from in vitro germinated seedlings were used as explants. The gene nptII, which confers resistance to the antibiotic kanamycin, was used for selection. The transformation efficiency was expressed as the number of GUS-positive shoots over the total number of explants and varied from 1.54 to 6.08 % among the three cultivars and three constructs studied. Several lines of the three sweet orange cultivars analyzed using PCR and Southern blot analysis were genetically transformed with the three constructs evaluated. The histological GUS activity in the leaves indicates that the uidA gene was preferentially expressed in the phloem, which suggests that the use of the three promoters might be adequate for producing HLB-resistant transgenic sweet oranges. The results reported here conclusively demonstrate the preferential expression of GUS in the phloem driven by two heterologous and one homologous gene promoters. Key message The results reported here conclusively demonstrate the preferential expression of GUS in the phloem driven by two heterologous and one homologous gene promoters.

Genetic transformation of three sweet orange cultivars from explants of adult plants

The difficulty in adult tissue genetic transformation in woody species is still an obstacle to be overcome, including in most sweet orange cultivars of the Brazilian citrus industry. This work reports that, after in vitro culture adjustments, transgenic adventitious buds of 'Hamlin', 'Pra', and 'Valencia' sweet oranges (Citrus sinensis L. Osbeck) were recovered using adult material as explant source, in genetic transformation experiments via Agrobacterium tumefaciens. The transgenic buds were identified by the GUS histochemical analysis and confirmed by PCR analysis, which indicated the presence of an amplified fragment of 817 bp corresponding to the uidA gene sequence. The efficiencies of genetic transformation for 'Hamlin', 'Pra', and 'Valencia' sweet orange cultivars were 2.5, 1.4, and 3.7%, respectively. Media supplemented with auxins and cytokinins during co-culture, and media with high concentrations of cytokinins (3 mg L-1) during transgenic selection led to the transformation and, consequently, the regeneration of adequate number of adventitious buds for the three cultivars. The use of sonication during the explant disinfection was not effective to reduce endophytic contamination and reduced transformation efficiency.

Analysis of the Organic Hydroperoxide Response of Chromobacterium violaceum Reveals That OhrR Is a Cys-Based Redox Sensor Regulated by Thioredoxin

Organic hydroperoxides are oxidants generated during bacterial-host interactions. Here, we demonstrate that the peroxidase OhrA and its negative regulator OhrR comprise a major pathway for sensing and detoxifying organic hydroperoxides in the opportunistic pathogen Chromobacterium violaceum. Initially, we found that an ohrA mutant was hypersensitive to organic hydroperoxides and that it displayed a low efficiency for decomposing these molecules. Expression of ohrA and ohrR was specifically induced by organic hydroperoxides. These genes were expressed as monocistronic transcripts and also as a bicistronic ohrR-ohrA mRNA, generating the abundantly detected ohrA mRNA and the barely detected ohrR transcript. The bicistronic transcript appears to be processed. OhrR repressed both the ohrA and ohrR genes by binding directly to inverted repeat sequences within their promoters in a redox-dependent manner. Site-directed mutagenesis of each of the four OhrR cysteine residues indicated that the conserved Cys21 is critical to organic hydroperoxide sensing, whereas Cys126 is required for disulfide bond formation. Taken together, these phenotypic, genetic and biochemical data indicate that the response of C. violaceum to organic hydroperoxides is mediated by OhrA and OhrR. Finally, we demonstrated that oxidized OhrR, inactivated by intermolecular disulfide bond formation, is specifically regenerated via thiol-disulfide exchange by thioredoxin (but not other thiol reducing agents such as glutaredoxin, glutathione and lipoamide), providing a physiological reducing system for this thiol-based redox switch.

Epicolactone - Natural Product Isolated from the Sugarcane Endophytic Fungus Epicoccum nigrum

The endophytic fungus Epicoccum nigrum was isolated from sugarcane and the bioguided fractionation of the ethyl acetate extract led to the isolation of epicolactone, mellein, and 4,5-dimethylresorcinol. Characterization of epicolactone by MS, NMR and X-ray crystallography revealed a new natural product with an unusual carbon skeleton. The production of this secondary metabolite decreased in mutants of Epicoccum nigrum transformed by Agrobacterium tumefaciens. Additionally, these mutants produced 4-hydroxymellein.

Transformation von Osteospermum ecklonis mit Konstrukten zur Induktion von Virusresistenz und Blühverfrühung

Für die Etablierung einer Transformationsmethode züchterisch relevanter Sorten von Osteospermum ecklonis (Kapmargerite) wurde zunächst ein geeignetes Protokoll für die Regeneration adventiver Sprosse aus vegetativem Gewebe entwickelt. Anschließend wurden Transformationen von Markergenen durch Kokultur mit Agrobacterium tumefaciens durchgeführt. Hierzu wurden Konstrukte verwendet, die das Gen für ß-D-Glucuronidase (GUS) enthielten und deren Expression in transgenen Pflanzen histochemisch nachgewiesen werden konnte. Kanamycinresistenz erwies sich als geeigneter Selektionsmarker für die Transformation. Es konnten von verschiedenen O. ecklonis Sorten GUS-transgene, nicht-chimäre Pflanzen regeneriert werden.Zur Erzeugung transgener Pflanzen mit dem Ziel der Resistenz gegen LMV (lettuce mosaic potyvirus, Salat Mosaik Virus) wurden drei Konstrukte verwendet. Das erste enthält die kodierende Sequenz der Virusproteine VPg, Pro und 6K2. Durch PCR-Mutation wurde die Proteinase-Schnittstelle zwischen 6K2 und VPg zerstört, sowie Start- und Stopcodon eingeführt. Die anderen LMV-abgeleiteten Konstrukte enthalten nicht translatierbare Fragmente des coat protein Gens in sense und antisense Orientierung.Außerdem wurde O. ecklonis noch mit dem Gen des mutmaßlichen Transkriptionsfaktor SPL3 aus Arabidopsis thaliana unter der Kontrolle eines konstitutiven Promotors transformiert. SPL3 ist an der Regulierung der Blüteninduktion in A. thaliana beteiligt.Regenerierte O. ecklonis wurden durch PCR mit konstruktspezifischen Primern auf Anwesenheit des Transgens und Kontamination durch A. tumefaciens überprüft.

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen

Etablierung von Expressionsystemen für Gene der Indolalkaloid-Biosynthese unter besonderer Berücksichtigung von Cytochrom P450-Enzymen In der vorliegenden Arbeit wurden Enzyme aus der Arzneipflanze Rauvolfia serpentina bearbeitet. Es wurde versucht, das an der Biosynthese des Alkaloids Ajmalin beteiligte Cytochrom P450-Enzym Vinorin-Hydroxylase heterolog und funktionell zu exprimieren. Ein zunächst unvollständiger, unbekannter Cytochrom P450-Klon konnte komplettiert und eindeutig mittels heterologer Expression in sf9-Insektenzellen als Cinnamoyl-Hydroxylase identifiziert werden. Die Tauglichkeit des Insektenzellsystems für die Untersuchung der Vinorin-Hydroxylase ist auf Grund der deacetylierenden Wirkung der Insektenzellen auf das Substrat Vinorin nicht gegeben. Im Rahmen des Homology Cloning Projektes konnten mehrere Volllängenklone und diverse Teilsequenzen von neuen Cytochrom P450-Klonen ermittelt werden. Ausserdem wurde durch das unspezifische Binden eines degenerierten Primers ein zusätzlicher Klon gefunden, der der Gruppe der löslichen Reduktasen zugeordnet werden konnte. Diese putative Reduktase wurde auf die Aktivität von mehreren Schlüsselenzymen der Ajmalin-Biosynthese durch heterologe Expression in E.coli und anschliessende HPLC-gestützte Aktivitätstests ohne Erfolg geprüft. Bedingt durch die Untauglichkeit des Insektenzellsystems für die Identifizierung der Vinorin-Hydroxylase, wurde ein neuartiges Modul-gestütztes, pflanzliches Expressionsystem etabliert, um vorhandene P450-Volllängenklone auf Vinorin- Hydroxylaseaktivität testen zu können. Die Funktionalität des Systems konnte durch die heterologe Expression der Polyneuridinaldehyd Esterase bestätigt werden. Trotzdem war es bis jetzt nicht möglich, die Cinnamoyl-Hydroxylase als Kontrollenzym für das pflanzliche System oder aber die gesuchte Vinorin- Hydroxylase in aktiver Form zu exprimieren.

Optimierung von Transformationsprotokollen und Entwicklung von SSR-Markern für das Kolumnarwachstum beim Apfel

Ziel war es, molekularbiologische Untersuchungen zum Kolumnarwachstum des Apfels durchzuführen. Anhand Sequenzdaten des ‘Golden Delicious’ Genoms (Velasco et al. 2010) wurden drei neue SSR Marker entwickelt. Sie konnten bei untersuchten Geisenheimer Nachkommenschaften zuverlässig den Kolumnarwuchs auf DNA-Ebene detektieren. Zusätzlich wurden von Bai et al. (2012) veröffentlichte Marker untersucht. Die von Bai et al. (2012) gefundenen Grenzen des co-Lokus konnten in dieser Arbeit anhand der Geisenheimer Nachkommenschaften nicht bestätigt werden. Die „linke“ Begrenzung der co-Region wird nach Untersuchungen dieser Arbeit am ehesten von dem Marker Mdo.chr10.11 (Moriya et al. 2012) bei 18,757 Mbp definiert. Die „rechte“ Begrenzung der co-Region wird vermutlich von den Markern Co04R13 (Baldi et al. 2012) und C1753-3520 (Bai et al. 2012) bei 18,905 Mbp definiert, wodurch die potentielle co-Region auf 148 kb auf Chromosom 10 eingegrenzt werden könnte. Für Funktionsanalysen möglicher Kandidatengene des co-Gens wurde ein Agrobakterien-vermitteltes Transformationssystem für die Geisenheimer Apfelselektionen ‘A 14’ und ‘Procats 28’ adaptiert. Zusätzlich wurde der bereits in der Literatur als transformierbar beschriebene Genotyp ‘Jonagold’ (Viss et al. 2003) transformiert. Bei Transformationen der Apfelselektion ‘A 14’ gelang es, transgene Zellen an den Explantaten, am Kallusgewebe und an den Regeneraten zu erzeugen. Bei Transformationen von ‘Jonagold’ wurde ein fast vollständig transgenes Regenerat erzeugt.

Etablierung transgener BY-2-Zelllinien zur In-vivo-Lokalisierung pflanzlicher Cytoskelettproteine

Bei den Pflanzen sind viele Fragen bezüglich der Organisation und Regulation des bei der Zellteilung und differenzierung wichtigen Auf-, Ab- und Umbaus des Mikrotubuli-Netzwerkes noch immer offen, insbesondere was die Rolle des γ-Tubulins betrifft. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung von BY-2 Modell-Zelllinien (Nicotiana), die verschiedene mit fluoreszierenden Proteinen (FP) markierte Elemente des Cytoskeletts exprimieren, um eine fluoreszenzmikroskopische Detektion in vivo zu ermöglichen.rnAls Grundlage für alle weiteren Versuche wurde eine zuverlässige Methode zur A. tumefaciens vermittelten stabilen Transfektion von BY-2 Zellen erarbeitet. Für die Expression von FP-markierten Cytoskelettproteinen, wurden entsprechende Fusionskonstrukte kloniert und via A. tumefaciens in BY-2 Zellen transferiert. So gelang zunächst die Herstellung transgener Zelllinien, die GFP-markiertes α- bzw. γ-Tubulin exprimierten. Diese sollten später als Basis für die Untersuchung des dynamischen Mikrotubuli-Netzwerkes bzw. dessen Regulation dienen. In beiden Zelllinien standen die Konstrukte zunächst unter Kontrolle eines doppelten 35S-Promotors, was zu einer starken, konstitutiven Expression der Transgene führte. Fluoreszenzmikroskopisch konnten Strukturen, an deren Aufbau Mikrotubuli beteiligt sind, detektiert werden. Aufgrund einer starken Hintergrundfluoreszenz, vermutlich bedingt durch die konstitutive Überexpression, war die Darstellung feinerer Bereiche, wie sie im Cytoskelett häufig auftreten, jedoch äußerst schwierig. Deshalb wurde eine schwächere bzw. adäquate Expressionsrate angestrebt. rnPhysiologische Expressionsraten sollten vor allem durch den endogenen γ-Tubulin-Promotor ermöglicht werden. Da die entsprechende Sequenz noch unbekannt war, wurde sie zunächst bestimmt und in ein passendes Konstrukt integriert. Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen der resultierenden Zelllinie ließen auf eine stark reduzierte Expressionsrate schließen. Tatsächlich war die Detektion von Cytoskelettstrukturen, wenn überhaupt, erst bei deutlich längeren Belichtungszeiten möglich. Bedingt durch die langen Belichtungszeiten wurde die Dokumentation durch eine latente pflanzentypische Autofluoreszenz der Zellen erschwert. Auch wenn hier keine detailreicheren Aufnahmen der Cytoskelettstrukturen möglich waren, ist die Zellkultur für weiterführende Untersuchungen, z.B. in Studien bezüglich des zeitlichen Expressionsmusters des γ-Tubulins, potentiell geeignet. Der Einsatz eines sensibleren Mikroskopsystems ist allerdings erforderlich. rnUm klären zu können, inwieweit γ-Tubulin mit den Mikrotubuli co-lokalisiert, wurden Zelllinien benötigt, bei denen die entsprechenden Elemente unterschiedlich markiert waren. Zu diesem Zweck wurde der Einsatz von RFP-markiertem Tubulin getestet. Eine deutliche Überexpression von RFP alleine war möglich. Trotz mehrfacher Wiederholung der Versuche war aber keine Expression von RFP-markiertem α-Tubulin in BY-2 Zellen zur Visualisierung der Mikrotubuli detektierbar. Die DNA-Sequenzen waren im Genom nachweisbar, eine Transkription jedoch nicht. Möglicherweise spielten hier gene silencing Effekte eine Rolle. Das verwendete RFP (TagRFP) und GFP stammten aus unterschiedlichen Organismen, aus einer Seeanemone bzw. einer Qualle. Eine Lösung könnte der Austausch des TagRFP durch ein Quallen-Derivat, das in einer von grün unterscheidbaren Farbe fluoresziert, bringen. Da bereits BY-2 Zelllinien vorliegen, die GFP-markiertes α- bzw. γ-Tubulin exprimieren, sollte es, nach Klonieren eines entsprechenden Konstruktes, zeitnah möglich sein, eine doppelt transfizierte Zelllinie herzustellen.

Functional analysis of rice bidirectional promoters

Bidirectional promoters regulate adjacent genes organized in a divergent fashion (head to head orientation). Several Reports pertaining to bidirectional promoters on a genomic scale exists in mammals. This work provides the essential background on theoretical and experimental work to carry out a genomic scale analysis of bidirectional promoters in plants. A computational study was performed to identify putative bidirectional promoters and the over-represented cis-regulatory motifs from three sequenced plant genomes: rice (Oryza sativa), Arabidopsis thaliana, and Populus trichocarpa using the Plant Cis-acting Regulatory DNA Elements (PLACE) and PLANT CARE databases. Over-represented motifs along with their possible function were described with the help of a few conserved representative putative bidirectional promoters from the three model plants. By doing so a foundation was laid for the experimental evaluation of bidirectional promoters in plants. A novel Agrobacterium tumefaciens mediated transient expression assay (AmTEA) was developed for young plants of different cereal species and the model dicot Arabidopsis thaliana. AmTEA was evaluated using five promoters (six constructs) and two reporter genes, gus and egfp. Efficacy and stability of AmTEA was compared with stable transgenics using the Arabidopsis DEAD-box RNA helicase family gene promoter. AmTEA was primarily developed to overcome the many problems associated with the development of transgenics and expression studies in plants. Finally a possible mechanism for the bidirectional activity of bidirectional promoters was highlighted. Deletion analysis using promoter-reporter gene constructs identified three rice promoters to be bidirectional. Regulatory elements located in the 5’- untranslated regions (UTR) of one of the genes of the divergent gene pair were found to be responsible for their bidirectional ctivity

NMR structure of a complex between the VirB9/VirB7 interaction domains of the pKM101 type IV secretion system.

Type IV secretion (T4S) systems translocate DNA and protein effectors through the double membrane of Gram-negative bacteria. The paradigmatic T4S system in Agrobacterium tumefaciens is assembled from 11 VirB subunits and VirD4. Two subunits, VirB9 and VirB7, form an important stabilizing complex in the outer membrane. We describe here the NMR structure of a complex between the C-terminal domain of the VirB9 homolog TraO (TraO(CT)), bound to VirB7-like TraN from plasmid pKM101. TraO(CT) forms a beta-sandwich around which TraN winds. Structure-based mutations in VirB7 and VirB9 of A. tumefaciens show that the heterodimer interface is conserved. Opposite this interface, the TraO structure shows a protruding three-stranded beta-appendage, and here, we supply evidence that the corresponding region of VirB9 of A. tumefaciens inserts in the membrane and protrudes extracellularly. This complex structure elucidates the molecular basis for the interaction between two essential components of a T4S system.

Biological diversity of prokaryotic type IV secretion systems.

Type IV secretion systems (T4SS) translocate DNA and protein substrates across prokaryotic cell envelopes generally by a mechanism requiring direct contact with a target cell. Three types of T4SS have been described: (i) conjugation systems, operationally defined as machines that translocate DNA substrates intercellularly by a contact-dependent process; (ii) effector translocator systems, functioning to deliver proteins or other macromolecules to eukaryotic target cells; and (iii) DNA release/uptake systems, which translocate DNA to or from the extracellular milieu. Studies of a few paradigmatic systems, notably the conjugation systems of plasmids F, R388, RP4, and pKM101 and the Agrobacterium tumefaciens VirB/VirD4 system, have supplied important insights into the structure, function, and mechanism of action of type IV secretion machines. Information on these systems is updated, with emphasis on recent exciting structural advances. An underappreciated feature of T4SS, most notably of the conjugation subfamily, is that they are widely distributed among many species of gram-negative and -positive bacteria, wall-less bacteria, and the Archaea. Conjugation-mediated lateral gene transfer has shaped the genomes of most if not all prokaryotes over evolutionary time and also contributed in the short term to the dissemination of antibiotic resistance and other virulence traits among medically important pathogens. How have these machines adapted to function across envelopes of distantly related microorganisms? A survey of T4SS functioning in phylogenetically diverse species highlights the biological complexity of these translocation systems and identifies common mechanistic themes as well as novel adaptations for specialized purposes relating to the modulation of the donor-target cell interaction.