A tobacco cDNA reveals two different transcription patterns in vegetative and reproductive organs

In order to identify genes expressed in the pistil that may have a role in the reproduction process, we have established an expressed sequence tags project to randomly sequence clones from a Nicotiana tabacum stigma/style cDNA library. A cDNA clone (MTL-8) showing high sequence similarity to genes encoding glycine-rich RNA-binding proteins was chosen for further characterization. Based on the extensive identity of MTL-8 to the RGP-1a sequence of N. sylvestris, a primer was defined to extend the 5′ sequence of MTL-8 by RT-PCR from stigma/style RNAs. The amplification product was sequenced and it was confirmed that MTL-8 corresponds to an mRNA encoding a glycine-rich RNA-binding protein. Two transcripts of different sizes and expression patterns were identified when the MTL-8 cDNA insert was used as a probe in RNA blots. The largest is 1,100 nucleotides (nt) long and markedly predominant in ovaries. The smaller transcript, with 600 nt, is ubiquitous to the vegetative and reproductive organs analyzed (roots, stems, leaves, sepals, petals, stamens, stigmas/styles and ovaries). Plants submitted to stress (wounding, virus infection and ethylene treatment) presented an increased level of the 600-nt transcript in leaves, especially after tobacco necrosis virus infection. In contrast, the level of the 1,100-nt transcript seems to be unaffected by the stress conditions tested. Results of Southern blot experiments have suggested that MTL-8 is present in one or two copies in the tobacco genome. Our results suggest that the shorter transcript is related to stress while the larger one is a flower predominant and nonstress-inducible messenger.

Whole Genome Analysis of Gene Expression Reveals Coordinated Activation of Signaling and Metabolic Pathways during Pollen-Pistil Interactions in Arabidopsis

Plant reproduction depends on the concerted activation of many genes to ensure correct communication between pollen and pistil. Here, we queried the whole transcriptome of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) in order to identify genes with specific reproductive functions. We used the Affymetrix ATH1 whole genome array to profile wild-type unpollinated pistils and unfertilized ovules. By comparing the expression profile of pistils at 0.5, 3.5, and 8.0 h after pollination and applying a number of statistical and bioinformatics criteria, we found 1,373 genes differentially regulated during pollen-pistil interactions. Robust clustering analysis grouped these genes in 16 time-course clusters representing distinct patterns of regulation. Coregulation within each cluster suggests the presence of distinct genetic pathways, which might be under the control of specific transcriptional regulators. A total of 78% of the regulated genes were expressed initially in unpollinated pistil and/or ovules, 15% were initially detected in the pollen data sets as enriched or preferentially expressed, and 7% were induced upon pollination. Among those, we found a particular enrichment for unknown transcripts predicted to encode secreted proteins or representing signaling and cell wall-related proteins, which may function by remodeling the extracellular matrix or as extracellular signaling molecules. A strict regulatory control in various metabolic pathways suggests that fine-tuning of the biochemical and physiological cellular environment is crucial for reproductive success. Our study provides a unique and detailed temporal and spatial gene expression profile of in vivo pollen-pistil interactions, providing a framework to better understand the basis of the molecular mechanisms operating during the reproductive process in higher plants.

The plant ovule omics : an integrative approach for pollen−pistil interactions and pollen tube guidance studies in solanaceous species

Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense.

Stigma/style cell cycle inhibitor 1 (SCI1), a tissue-specific cell cycle regulator that controls upper pistil development

P>A cDNA encoding a small lysine-rich protein of unknown function was identified in a tobacco (Nicotiana tabacum) stigma/style suppression subtractive hybridization cDNA library. After its characterization, the corresponding gene was designated stigma/style cell cycle inhibitor 1 (SCI1). Fluorescence microscopy with an SCI1-GFP protein fusion demonstrated its nuclear localization, which was confined to the interchromatic region. Real-time RT-PCR and in situ hybridization experiments showed that SCI1 is stigma/style-specific and developmentally regulated. SCI1 RNAi knockdown and overexpression plants had stigmas/styles with remarkably enlarged and reduced areas, respectively, which was attributable to differences in cell numbers. These results indicate that SCI1 is a tissue-specific negative cell cycle regulator. The differences in cell division had an effect on the timing of the differentiation of the stigmatic papillar cells, suggesting that their differentiation is coupled to stigma cell divisions. This is consistent with a role for SCI1 in triggering differentiation through cell proliferation control. Our results revealed that SCI1 is a novel tissue-specific gene that controls cell proliferation/differentiation, probably as a component of a developmental signal transduction pathway.

Analysis of the Nicotiana tabacum Stigma/Style Transcriptome Reveals Gene Expression Differences between Wet and Dry Stigma Species

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Organ-specific and Agamous-regulated expression and glycosylation of a pollen tube growth-promoting protein.

Transmitting tissue-specific (TTS) protein is a pollen tube growth-promoting and attracting glycoprotein located in the stylar transmitting tissue extracellular matrix of the pistil of tobacco. The TTS protein backbones have a deduced molecular mass of about 28 kDa, whereas the glycosylated stylar TTS proteins have apparent molecular masses ranging between 50 and 100 kDa. TTS mRNAs and proteins are ectopically produced in transgenic tobacco plants that express either a cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter-TTS2 transgene or a CaMV 35S-promoter-NAG1 (NAG1 = Nicotiana tabacum Agamous gene) transgene. However, the patterns of TTS mRNA and protein accumulation and the quality of the TTS proteins produced are different in these two types of transgenic plants. In 35S-TTS transgenic plants, TTS mRNAs and proteins accumulate constitutively in vegetative and floral tissues. However, the ectopically expressed TTS proteins in these transgenic plants accumulate as underglycosylated protein species with apparent molecular masses between 30 and 50 kDa. This indicates that the capacity to produce highly glycosylated TTS proteins is restricted to the stylar transmitting tissue. In 35S-NAG transgenic plants, NAG1 mRNAs accumulate constitutively in vegetative and floral tissues, and TTS mRNAs are induced in the sepals of these plants. Moreover, highly glycosylated TTS proteins in the 50- to 100-kDa molecular mass range accumulate in the sepals of these transgenic, 35S-NAG plants. These results show that the tobacco NAGI gene, together with other yet unidentified regulatory factors, control the expression of TTS genes and the cellular capacity to glycosylate TTS proteins, which are normally expressed very late in the pistil developmental pathway and function in the final stage of floral development. The sepals in the transgenic 35S-NAG plants also support efficient pollen germination and tube growth, similar to what normally occurs in the pistil, and this ability correlates with the accumulation of the highest levels of the 50- to 100-kDa glycosylated TTS proteins.

The Expanded Human Kallikrein (KLK) gene family : genomic organisation, tissue specific expression and potential functions

The tissue kallikreins are serine proteases encoded by highly conserved multigene families. The rodent kallikrein (KLK) families are particularly large, consisting of 13 26 genes clustered in one chromosomal locus. It has been recently recognised that the human KLK gene family is of a similar size (15 genes) with the identification of another 12 related genes (KLK4-KLK15) within and adjacent to the original human KLK locus (KLK1-3) on chromosome 19q13.4. The structural organisation and size of these new genes is similar to that of other KLK genes except for additional exons encoding 5 or 3 untranslated regions. Moreover, many of these genes have multiple mRNA transcripts, a trait not observed with rodent genes. Unlike all other kallikreins, the KLK4-KLK15 encoded proteases are less related (25–44%) and do not contain a conventional kallikrein loop. Clusters of genes exhibit high prostatic (KLK2-4, KLK15) or pancreatic (KLK6-13) expression, suggesting evolutionary conservation of elements conferring tissue specificity. These genes are also expressed, to varying degrees, in a wider range of tissues suggesting a functional involvement of these newer human kallikrein proteases in a diverse range of physiological processes.