Alteration of beta-tubulin in Nicotiana plumbaginifolia confers resistance to amiprophos-methyl

A Nicotiana plumbaginifolia plant (apm5(r)) resistant to amiprophos-methyl (APM), a phosphoroamide herbicide, was isolated from protoplasts prepared from leaves of haploid plants. Genetic analysis revealed that the resistance is coded for by a dominant nuclear mutation and is associated with the increased stability of cortical microtubules. Two-dimensional polyacrylamide-gel electrophoresis, combined with immunoblotting using anti-tubulin monoclonal antibodies, showed that part of the beta-tubulin in the resistant plant possessed lower isoelectric points than the beta-tubulin of susceptible wild-type plants. These results provide evidence that the resistance to APM is associated with a mutation in a beta-tubulin gene. The APM-resistant line showed cross-resistance to trifluralin, a dinitroaniline herbicide, suggesting a common mechanism of resistance between these two classes of herbicides.

Immunological homologues of the Arabidopsis thaliana beta 1 tubulin are polyglutamylated in Nicotiana tabacum

Peptide-specific antibody AABI, raised to the C-terminal 13 amino acids of Arabidopsis thaliana beta 1 tubulin, identifies a single electrophoretically separable beta-tubulin on 2-D-gel Western blots of total protein extracts from A. thaliana seedlings. We show that AABI crossreacts with two of the eight polyglutamylated beta-tubulin isoforms present in purified Nicotiana tabacum tubulin fractionated by high-resolution isoelectric focussing. Immunolocalisation studies using AAB1 revealed that the two N. tabacum polyglutamylated beta 1-tubulin isoforms are utilised in all four plant microtubule arrays (the interphase cortical array, the preprophase band, the spindle and the phragmoplast) indicating that there is no apparent subcellular sorting of these isotypes.

Plant nuclear gene knockout reveals a role in plastid division for the homolog of the bacterial cell division protein FtsZ, an ancestral tubulin

Little is known about the division of eukaryotic cell organelles and up to now neither in animals nor in plants has a gene product been shown to mediate this process. A cDNA encoding a homolog of the bacterial cell division protein FtsZ, an ancestral tubulin, was isolated from the eukaryote Physcomitrella patens and used to disrupt efficiently the genomic locus in this terrestrial seedless plant. Seven out of 51 transgenics obtained were knockout plants generated by homologous recombination; they were specifically impeded in plastid division with no detectable effect on mitochondrial division or plant morphology. Implications on the theory of endosymbiosis and on the use of reverse genetics in plants are discussed.

Differenzielle Expression von Tubulin-Genen bei der Entwicklung von Blattzellen der Gerste (Hordeum vulgare L.)

Die Morphogenese einer Pflanzenzelle wird in großem Maße durch die Dynamik kortikaler Mikrotubuli (MT) bestimmt, die auf die Zellwandsynthese Einfluß nehmen. In dieser Arbeit wurden die Transkriptmengen der alpha-Tubulin-Isotypen und des gamma-Tubulin während der Entwicklung des Gerstenblattes analysiert, um Zusammenhänge zu bereits beschriebenen Umwandlungen im kortikalen MT-Cytoskelett der Mesophyllzellen aufzudecken. Erstmals konnte bei einer höheren Pflanze die Genexpression auf RNA-Ebene innerhalb einer Tubulin-Multigenfamilie im Verlauf der Blattentwicklung umfassend dargestellt werden.Es wurden blattspezifische cDNA-Bibliotheken erstellt und mittels RT-PCR homologe DNA-Gensonden für die Screeningprozesse der cDNA-Bibliotheken hergestellt. cDNA-Sequenzen von alpha-, beta-, und gamma-Tubulin konnten isoliert werden. Weitere, weniger abundante alpha-Tubulin-Sequenzen wurden während zusätzlicher Screeningrunden über PCR-Ausschluß häufig vertretener, bereits bekannter Isotypen isoliert.Die cDNA-Sequenzen von insgesamt fünf verschiedenen Isotypen des alpha-Tubulin konnten aufgeklärt werden, drei Isotypen wiesen bis zu fünf im nicht kodierenden 3´-Bereich verkürzte Varianten auf, die aber in ihrer Anzahl deutlich unterrepräsentiert waren. Die abgeleiteten Aminosäuresequenzen umfassten bei drei Isotypen 451 Aminosäuren (AS), zwei Isotypen waren im C-Terminus um eine bzw. um zwei AS kürzer. Die fünf alpha-Tubulin-Isotypen wiesen charakteristische Expressionsmuster auf, die in drei Klassen unterteilbar waren. Die Isotypen HVATUB1 und HVATUB5 (MT-Band-Isotypen) hatten den maximalen Gehalt in Blattbereichen, in denen auch hauptsächlich Mesophyllzellen mit kortikalen MT-Bänderungen vorkommen, wobei HVATUB5 den am schwächsten exprimierte Isotyp darstellte. HVATUB3 (Random-MT-Isotyp) zeigte die stärksten Expressionsraten. Die im Meristem und meristemnahen Bereichen bereits recht hohe Abundanz erreichte erst nach der Zellstreckungszone in einer Blattzone das Maximum, in dem hauptsächlich Mesophyllzellen mit zerstreut angeordneten MT anzutreffen sind. Die Isotypen HVATUB2 und HVATUB4 (MImax-Isotypen) waren in mitotisch aktiven, basalen Blattbereichen dominant.Die cDNA-Sequenz vom gamma-Tubulin der Gerste, HVGTUB, wurde ermittelt; die abgeleitete Aminosäuresequenz bestand aus 469 AS. Das Auftreten einer im nicht kodierenden 3´-Bereich kürzeren Variante konnte erstmals bei pflanzlichem gamma-Tubulin beschrieben werden. Southernblot-Analysen ließen darauf schließen, daß gamma-Tubulin nur als Einzelkopie im Genom der Gerste vorkommt. gamma-Tubulin wurde im mitosereichen Meristem der Blattbasis am stärksten exprimiert. Da die Abnahme der Transkriptmenge weitaus langsamer verlief als die Abnahme der Zellteilungsaktivität, ist anzunehmen, daß gamma-Tubulin neben der Erfüllung von mitose- und zellteilungsspezifischen Funktionen auch eine Rolle im Zusammenhang mit der Dynamik des kortikalen MT-Cytoskeletts spielt. Einen ersten Schritt zur Aufklärung der Genfamilie des beta-Tubulin bei Gerste stellt die Isolierung drei verschiedener cDNA-Sequenzen von beta-Tubulin dar.

Charakterisierung spezieller pflanzlicher Gamma-Tubulin-Sequenzbereiche und Detektion potentieller Interaktionspartner mittels Yeast-two-Hybrid-System

Mitotische und postmitotische Vorgänge pflanzlicher Zellen basieren auf der Funktion von Mikrotubuli. Es liegen nur wenige gesicherte Erkenntnisse zur Organisation dieser Multifunktionalität vor. Eine zentrale Bedeutung wird bei der Nukleation der Mikrotubuli an MTOCs durch γ-Tubulin zugeschrieben. Deren Zusammenlagerung an MTOCs ist jedoch noch nicht richtig verstanden. Domänen, die an der Proteinoberfläche exponiert werden, könnten in Interaktionen involviert sein. Hier werden im Besonderen der γ-A und γ-B-Peptivmotiv diskutiert. Es wurde das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv des γ-Tubulins hinsichtlich einer Konservierung innerhalb des Pflanzenreiches untersucht. Die beiden Bereiche sind bei den grünen Landpflanzen stark konserviert. Sie divergieren stark zu den einzelligen Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii und Chlorella spec. Es wurden daher in der bestehenden phylogentischen Lücke weitere Organismen hinsichtlich des γ-A und γ-B Peptidmotivs untersucht. Auswahlkriterien der Organismen waren Ein-/Mehrzelligkeit, Besitz/Abwesenheit von Centriolen und Besitz/Abwesenheit von Geißeln. Des weiteren wurde mit verschiedenen γ-Tubulin-Konstrukten um das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv, gewonnen aus Nicotiana tabacum (BY2) mittels Y2H-System nach Interaktionspartnern gesucht. Bei den Sequenzuntersuchungen des γ-A- und γ-B-Peptidmotivs konnte festgestellt werden, dass die Konservierung innerhalb der Streptophytenlinie erfolgt. Interessant erweist sich die Tatsache, dass dieses Motiv bei den Jochalgen, welche ebenfalls den Streptophyten angehören, nur im γ-A-Peptidmotiv auftritt. Es besteht die Möglichkeit, dass die beiden potentiellen Interaktionspartner verschiedene Proteine als Interaktions-partner besitzen. Durch eine Anwendung eines auf dem GAL4-Protein basierenden Y2H-Systems mit vier unterschiedlichen Konstrukten des γ-Tubulin-A/B-Peptidbereichs als Köder-konstrukt und einer cDNA-Bibliothek als Beutekonstrukt, wurden diverse Sequenzen identifiziert. Identifiziert wurden das Poly(A)-Bindeprotein, Glycerin-aldehyd-3-phosphatdehydrogenase, die S-adenosyl-L-methionine-Synthetase, diverse Proteasom-Untereinheiten, eine sekretorische Peroxidase, eine Ascorbat-Peroxidase, die NtPOX1-Peroxidase und verschiedene Peroxidasen aus Nicotiana tabacum, Sequenzen des Chloroplastengenoms, ein Myosin-ähnliches Protein und eine Sequenz auf dem 5. Chromosom des Medicago truncatula-Klons mth2-16f8 und diverse humane Sequenzen der Proteine DKFZp68 und DKFZp77. Die Ergebnisse weisen auf eine komplexe Funktionsweise der unterschiedlichen Komponenten des pflanzlichen Cytoskeletts und des γ-Tubulins hin. Zur Aufklärung müsste dies in Zukunft mittels anderer genetischer, biochemischer oder funktioneller Methoden untersucht werden. Hypothesen über Interaktionen der Cytoskelettkomponenten können wahrscheinlich nicht allein durch die Anwendung des Y2H-Systems aufgeklärt werden.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Function of the p86 subunit of eukaryotic initiation factor (iso)4F as a microtubule-associated protein in plant cells.

The isozyme form of eukaryotic initiation factor 4F [eIF-(iso)4F] from wheat germ is composed of a p28 subunit that binds the 7-methylguanine cap of mRNA and a p86 subunit having unknown function. The p86 subunit was found to have limited sequence similarity to a kinesin-like protein encoded by the katA gene of Arabidopsis thaliana. Native wheat germ eIF-(iso)4F and bacterially expressed p86 subunit and p86-p28 complex bound to taxol-stabilized maize microtubules (MTs) in vitro. Binding saturation occurred at 1 mol of p86 per 5-6 mol of polymerized tubulin dimer, demonstrating a substoichiometric interaction of p86 with MTs. No evidence was found for a direct interaction of the p28 subunit with MTs. Unlike kinesin, cosedimentation of eIF-(iso)4F with MTs was neither reduced by MgATP nor enhanced by adenosine 5'-[gamma-imido]triphosphate. Both p86 subunit and p86-p28 complex induced the bundling of MTs in vitro. The p86 subunit was immunolocalized to the cytosol in root maize cells and existed in three forms: fine particles, coarse particles, and linear patches. Many coarse particles and linear patches were colocalized or closely associated with cortical MT bundles in interphase cells. The results indicate that the p86 subunit of eIF-(iso)4F is a MT-associated protein that may simultaneously link the translational machinery to the cytoskeleton and regulate MT disposition in plant cells.

Sexual selection in a tropical fruit fly : role of a plant derived chemical in mate choice

The specific mechanisms by which selective pressures affect individuals are often difficult to resolve. In tephritid fruit flies, males respond strongly and positively to certain plant derived chemicals. Sexual selection by female choice has been hypothesized as the mechanism driving this behaviour in certain species, as females preferentially mate with males that have fed on these chemicals. This hypothesis is, to date, based on studies of only very few species and its generality is largely untested. We tested the hypothesis on different spatial scales (small cage and seminatural field-cage) using the monophagous fruit fly, Bactrocera cacuminata. This species is known to respond to methyl eugenol (ME), a chemical found in many plant species and one upon which previous studies have focused. Contrary to expectation, no obvious female choice was apparent in selecting ME-fed males over unfed males as measured by the number of matings achieved over time, copulation duration, or time of copulation initiation. However, the number of matings achieved by ME-fed males was significantly greater than unfed males 16 and 32 days after exposure to ME in small cages (but not in a field-cage). This delayed advantage suggests that ME may not influence the pheromone system of B. cacuminata but may have other consequences, acting on some other fitness consequence (e.g., enhancement of physiology or survival) of male exposure to these chemicals. We discuss the ecological and evolutionary implications of our findings to explore alternate hypotheses to explain the patterns of response of dacine fruit flies to specific plant-derived chemicals.

Influence of host plant structure and microclimate on the abundance and behaviour of Tephritid fly

Microclimate and host plant architecture significantly influence the abundance and behavior of insects. However, most research in this field has focused at the invertebrate assemblage level, with few studies at the single-species level. Using wild Solanum mauritianum plants, we evaluated the influence of plant structure (number of leaves and branches and height of plant) and microclimate (temperature, relative humidity, and light intensity) on the abundance and behavior of a single insect species, the monophagous tephritid fly Bactrocera cacuminata (Hering). Abundance and oviposition behavior were signficantly influenced by the host structure (density of foliage) and associated microclimate. Resting behavior of both sexes was influenced positively by foliage density, while temperature positively influenced the numbers of resting females. The number of ovipositing females was positively influenced by temperature and negatively by relative humidity. Feeding behavior was rare on the host plant, as was mating. The relatively low explanatory power of the measured variables suggests that, in addition to host plant architecture and associated microclimate, other cues (e.g., olfactory or visual) could affect visitation and use of the larval host plant by adult fruit flies. For 12 plants observed at dusk (the time of fly mating), mating pairs were observed on only one tree. Principal component analyses of the plant and microclimate factors associated with these plants revealed that the plant on which mating was observed had specific characteristics (intermediate light intensity, greater height, and greater quantity of fruit) that may have influenced its selection as a mating site.

Somatic embryogenesis, organogenesis and plant regeneration in taro (Colocasia esculenta var. esculenta)

Callus was initiated in three different ‘‘esculenta’’ taro cultivars by culturing corm slices in the dark on half-strength MS medium supplemented with 2.0 mg/l 2,4- dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) for 20 days followed by subculture of all corm slices to half-strength MS medium containing 1.0 mg/l thidiazuron (TDZ). Depending on the cultivar, 20–30% of corm slices produced compact, yellow, nodular callus on media containing TDZ. Histological studies revealed the presence of typical embryogenic cells which were small, isodiametric with dense cytoplasms. Somatic embryos formed when callus was transferred to hormone-free medium and *72% of the embryos germinated into plantlets on this medium. Simultaneous formation of roots and shoots during germination, and the presence of shoot and root poles revealed by histology, confirmed that these structures were true somatic embryos. Plants derived from somatic embryos appeared phenotypically normal following 2 months growth in a glasshouse. This method is a significant advance on those previously reported for the esculenta cultivars of taro due to its efficiency and reproducibility.