CHARACTERISATION OF ARABIDOPSIS THALIANA PERMEABLE CUTICLE MUTANTS SHOWING A STRONG RESISTANCE TO BOTRYTIS CINEREA

La cuticule des plantes, composée de cutine, un polyester lipidique complexe et de cires cuticulaires, couvre l'épiderme de la plupart des parties aériennes des plantes. Elle est constituée d'une barrière hydrophobique primaire qui minimise les pertes en eau et en soluté et protège l'organisme de différents stress environnementaux tels que les rayons UV, la dessiccation et l'infection par des pathogènes. Elle est aussi impliquée dans la délimitation des organes durant le développement. La cutine est un polyester qui, dans la plupart des espèces végétales, est principalement composé d'acides gras ω-hydroxylés composé de 16 à 18 carbones. Cependant, la cutine des feuilles d'Arabidopsis a une composition différente et est principalement constituée d'acides dicarboxyliques à 16-18 carbones. Les cires sont présentes dans le polyester de la cutine ou le recouvrent. Chez Arabidopsis, un nombre de mutants, tel que 1er, bdg, hth, att1, wbc11, et des plantes transgéniques avec différents changement dans la structure de la cuticule dans les feuilles et la tige, ont récemment été décrits et servent d'outils pour étudier la relation entre la structure et la fonction de la cuticule.7 mutants d'Arabidopsis ont été isolés par une méthode de coloration qui permet de détecter une augmentation dans la perméabilité cuticulaire. Ces mutants ont été appelés pec pour permeable cuticle.Pour la première partie de mon projet, j'ai principalement travaillé avec pec9/bre1 (permeable cuticle 9/botrytis resistance 1). PEC9/BRE1 a été identifié comme étant LACS2 (LONG CHAIN ACYL-CoA SYNTHETASE 2). Dans ce mutant, la cuticule n'est pas visible sous microscopie électronique et la quantité en acides gras omega- hydroxylés et en leurs dérivés est fortement réduite. Ces altérations conduisent à une plus grande perméabilité de la cuticule qui est mise en évidence par une plus grande sensibilité à la sécheresse et aux xénobiotiques et une coloration plus rapide par bleu de toluidine. Le mutant Iacs2 démontre aussi une grande capacité de résistance à l'infection du champignon nécrotrophique B. cinerea. Cette résistance est due à l'extrusion sur les feuilles d'un composé antifongique durant l'infection. Ce travail a été publié dans EMBO journal (Bessire et al., 2007, EMBO Journal).Mon second projet était principalement concentré sur pec1, un autre mutant isolé par le premier crible. La caractérisation de pec1 a révélé des phénotypes similaires à ceux de Iacs2, mais à chaque fois dans des proportions moindres : sensibilité accrue à la sécheresse et aux herbicides, plus grande perméabilité au bleu de toluidine et au calcofluor white, altération de la structure cuticulaire et résistance à B. cinerea à travers la même activité antifongique. PEC1 a été identifié comme étant AtPDR4. Ce gène code pour un transporteur ABC de la famille PDR ("Pleiotropic Drugs Resistance") qui sont des transporteurs ayants un large spectre de substrats. Le mutant se différencie de Iacs2, en cela que la composition en acides gras de la cuticule n'est pas autant altérée. C'est principalement le dihydroxypalmitate des fleurs dont la quantité est réduite. L'expression du gène marqué avec une GFP sous le contrôle du promoteur endogène a permis de localiser le transporteur au niveau de la membrane plasmique des cellules de l'épiderme, de manière polaire. En effet, la protéine est principalement dirigée vers l'extérieure de la plante, là où se trouve la cuticule, suggérant une implication d'AtPDR4 dans le transport de composants de la cuticule. Ce travail est actuellement soumis à Plant Cell.Une étude phylogénétique a aussi montré qu'AtPDR4 était très proche d'OsPDR6 du riz. Le mutant du riz a d'ailleurs montré des phénotypes de nanisme et de perméabilité similaire au mutant chez Arabidopsis.AbstractThe cuticle, consisting principally of cutin and cuticular waxes, is a hydrophobic layer of lipidic nature, which covers all aerial parts of plants and protects them from different abiotic and biotic stresses. Recently, the research in this area has given us a better understanding of the structure and the formation of the cuticle. The Arabidopsis mutants permeable cuticle 1 (peel) and botrytis resistance 1 (brel) were identified in two screens to identify permeable cuticles. The screens used the fluorescent dye calcofluor to measure permeability and also resistance to the fungal pathogen Botrytis. These mutants have highly permeable cuticle characteristics such as higher water loss, intake of chemicals through the cuticle, higher resistance to Botrytis cinerea infection, and organ fusion.BRE1 was cloned and found to be LACS2, a gene previously identified which is important in the formation and biosynthetic pathway of the cuticle. In brel, the amount of the major component of cutin in Arabidopsis leaves and stems, dicarboxylic acids, is five times lower than in the wild type. Moreover, the permeability of the cuticle allows the release of antifungal compounds at the leaf surface that inhibits the growth of two necrotrophic fungi: Botrytis cinerea and Sclerotinia sclerotiorum.PEC1 was identified as AtPDR4, a gene that codes for a plasma membrane transporter of the Pleiotropic Drug Resistance family, a sub-family of the ABC- transporters. AtPDR4 is strongly expressed in the epidermis of expanding tissues. In the epidermis it is located in a polar manner on the external plasma membrane, facing the cuticle. Analysis of the monomer composition of the cutin reveals that in this mutant the amount of hydroxy-acids and dihydroxy-palmitate is 2-3 times lower in flowers, in which organ these cutin monomers are the major components. Thus AtPDR4 is thought to function as a putative cutin monomer transporter.

A permeable cuticle in Arabidopsis leads to a strong resistance to Botrytis cinerea.

The plant cuticle composed of cutin, a lipid-derived polyester, and cuticular waxes covers the aerial portions of plants and constitutes a hydrophobic extracellular matrix layer that protects plants against environmental stresses. The botrytis-resistant 1 (bre1) mutant of Arabidopsis reveals that a permeable cuticle does not facilitate the entry of fungal pathogens in general, but surprisingly causes an arrest of invasion by Botrytis. BRE1 was identified to be long-chain acyl-CoA synthetase2 (LACS2) that has previously been shown to be involved in cuticle development and was here found to be essential for cutin biosynthesis. bre1/lacs2 has a five-fold reduction in dicarboxylic acids, the typical monomers of Arabidopsis cutin. Comparison of bre1/lacs2 with the mutants lacerata and hothead revealed that an increased permeability of the cuticle facilitates perception of putative elicitors in potato dextrose broth, leading to the presence of antifungal compound(s) at the surface of Arabidopsis plants that confer resistance to Botrytis and Sclerotinia. Arabidopsis plants with a permeable cuticle have thus an altered perception of their environment and change their physiology accordingly.

Regulation of Set1-mediated methylation of Dam1

Eukaryotic genomes exist within a dynamic structure named chromatin in which DNA is wrapped around an octamer of histones forming the nucleosome. Histones are modified by a range of posttranslational modifications including methylation, phosphorylation, and ubiquitination, which are integral to a range of DNA-templated processes including transcriptional regulation. A hallmark for transcriptional activity is methylation of histone H3 on lysine (K) 4 within active gene promoters. In S. cerevisiae, H3K4 methylation is mediated by Set1 within the COMPASS complex. Methylation requires prior ubiquitination of histone H2BK123 by the E2-E3 ligases Rad6 and Bre1, as well as the Paf1 transcriptional elongation complex. This regulatory pathway exemplifies cross-talk in trans between posttranslational modifications on distinct histone molecules. Set1 has an additional substrate in the kinetochore protein Dam1, which is methylated on K233. This methylation antagonizes phosphorylation of adjacent serines by the Ipl1 Aurora kinase. The discovery of a second Set1 substrate raised the question of how Set1 function is regulated at the kinetochore. I hypothesized that transcriptional regulatory factors essential for H3K4 methylation at gene promoters might also regulate Set1-mediated methylation of Dam1K233. Here I show that the regulatory factors essential for COMPASS activity at gene promoters is also indispensable for the methylation of Dam1K233. Deletion of members of the COMPASS complex leads to loss of Dam1K233 methylation. In addition, deletion of Rad6, Bre1, or members of the Paf1 complex abolishes Dam1 methylation. The role of Rad6 and Bre1 in Dam1 methylation is dependent on H2BK123 ubiquitination, as mutation of K123 within H2B results in complete loss of Dam1 methylation. Importantly, methylation of Dam1K233 is independent of transcription and occurs at the kinetochore. My results demonstrate that Set1-mediated methylation is regulated by a general pathway regardless of substrate that is composed of transcriptional regulatory factors functioning independently of transcription at the kinetochore. My data provide the first example of cross-talk in trans between modifications on a histone and a non-histone protein. Additionally, my results indicate that several factors previously thought to be required for Set1 function at gene promoters are more generally required for the catalytic activity of the COMPASS complex regardless of substrate or cellular process.