A novel high efficiency, low maintenance, hydroponic system for synchronous growth and flowering of Arabidopsis thaliana

BACKGROUND: Arabidopsis thaliana is now the model organism for genetic and molecular plant studies, but growing conditions may still impair the significance and reproducibility of the experimental strategies developed. Besides the use of phytotronic cabinets, controlling plant nutrition may be critical and could be achieved in hydroponics. The availability of such a system would also greatly facilitate studies dealing with root development. However, because of its small size and rosette growth habit, Arabidopsis is hardly grown in standard hydroponic devices and the systems described in the last years are still difficult to transpose at a large scale. Our aim was to design and optimize an up-scalable device that would be adaptable to any experimental conditions. RESULTS: An hydroponic system was designed for Arabidopsis, which is based on two units: a seed-holder and a 1-L tank with its cover. The original agar-containing seed-holder allows the plants to grow from sowing to seed set, without transplanting step and with minimal waste. The optimum nitrate supply was determined for vegetative growth, and the flowering response to photoperiod and vernalization was characterized to show the feasibility and reproducibility of experiments extending over the whole life cycle. How this equipment allowed to overcome experimental problems is illustrated by the analysis of developmental effects of nitrate reductase deficiency in nia1nia2 mutants. CONCLUSION: The hydroponic device described in this paper allows to drive small and large scale cultures of homogeneously growing Arabidopsis plants. Its major advantages are its flexibility, easy handling, fast maintenance and low cost. It should be suitable for many experimental purposes

LED Color Gradient As A New Screening Tool For Rapid Phenotyping Of Plant Responses To Light Quality

Background The increasing demand for local food production is fueling high interest in the development of controlled environment agriculture. In particular, LED technology brings energy-saving advantages together with the possibility to manipulate plant phenotypes through light quality control. However, optimizing light quality is required for each cultivated plant and specific purpose. Findings In this paper, it is shown that the combination of LED gradient setups with imaging-based non-destructive plant phenotyping constitutes an interesting new screening tool with the potential to improve speed, logistics, and information output. To validate this concept, an experiment was performed to evaluate the effects of a complete range of Red:Blue ratios on seven plant species: Arabidopsis thaliana, Brachypodium distachyon, Euphorbia peplus, Ocimum basilicum, Oryza sativa, Solanum lycopersicum, and Setaria viridis. Plants were exposed during 30 days to the light gradient and showed significant, but species-dependent, responses in terms of dimension, shape, and color. A time series analysis of phenotypic descriptors highlighted growth changes but also transient responses of plant shapes to the Red:Blue ratio. Conclusion This approach, which generated a large reusable dataset, can be adapted for addressing specific needs in crop production or fundamental questions in photobiology.VeLire, Tropical Plant Factory (Plant'HP

The Ca2+-dependent protein kinase CPK3 is required for MAPK-independent salt-stress acclimation in Arabidopsis

Plants use different signalling pathways to respond to external stimuli. Intracellular signalling via calcium-dependent protein kinases (CDPKs) or mitogen-activated protein kinases (MAPKs) present two major pathways that are widely used to react to a changing environment. Both CDPK and MAPK pathways are known to be involved in the signalling of abiotic and biotic stresses in animal, yeast and plant cells. Here, we show the essential function of the CDPK CPK3 (At4g23650) for salt stress acclimation in Arabidopsis thaliana, and test crosstalk between CPK3 and the major salt-stress activated MAPKs MPK4 and MPK6 in the salt stress response. CPK3 kinase activity was induced by salt and other stresses after transient overexpression in Arabidopsis protoplasts, but endogenous CPK3 appeared to be constitutively active in roots and leaves in a strictly Ca2+-dependent manner. cpk3 mutants show a salt-sensitive phenotype comparable with mutants in MAPK pathways. In contrast to animal cells, where crosstalk between Ca2+ and MAPK signalling is well established, CPK3 seems to act independently of those pathways. Salt-induced transcriptional induction of known salt stress-regulated and MAPK-dependent marker genes was not altered, whereas post-translational protein phosphorylation patterns from roots of wild type and cpk3 plants revealed clear differences. A significant portion of CPK3 was found to be associated with the plasma membrane and the vacuole, both depending on its N-terminal myristoylation. An initial proteomic study led to the identification of 28 potential CPK3 targets, predominantly membrane-associated proteins

Growth Performance and Root Transcriptome Remodeling of Arabidopsis in Response to Mars-Like Levels of Magnesium Sulfate

Martian regolith (unconsolidated surface material) is a potential medium for plant growth in bioregenerative life support systems during manned missions on Mars. However, hydrated magnesium sulfate mineral levels in the regolith of Mars can reach as high as 10 wt%, and would be expected to be highly inhibitory to plant growth. at 180 min. after initiation of treatment. mutants exhibit partial tolerance to magnesium sulfate, and by elucidating a small subset (500 vs. >10,000) of candidate genes for mutation or metabolic engineering that will enhance tolerance to magnesium sulfate soils

Characterization of the natural variation in Arabidopsis thaliana metabolome by the analysis of metabolic distance

Metabolite fingerprinting is widely used to unravel the chemical characteristics of biological samples. Multivariate data analysis and other statistical tools are subsequently used to analyze and visualize the plasticity of the metabolome and/or the relationship between those samples. However, there are limitations to these approaches for example because of the multi-dimensionality of the data that makes interpretation of the data obtained from untargeted analysis almost impossible for an average human being. These limitations make the biological information that is of prime importance in untargeted studies be partially exploited. Even in the case of full exploitation, current methods for relationship elucidation focus mainly on between groups variation and differences. Therefore, a measure that is capable of exploiting both between- and within-group biological variation would be of great value. Here, we examined the natural variation in the metabolome of nine Arabidopsis thaliana accessions grown under various environmental conditions and established a measure for the metabolic distance between accessions and across environments. This data analysis approach shows that there is just a minor correlation between genetic and metabolic diversity of the nine accessions. On the other hand, it delivers so far in Arabidopsis unexplored chemical information and is shown to be biologically relevant for resistance studies

Contribution à l'étude des effets de l'enrichissement de l'atmosphère sur la croissance des plantes herbacées. Analyse et modélisation chez Arabidopsis thaliana.

L’enrichissement en CO2 de l’atmosphère dû aux activités humaines est considéré comme la cause principale des perturbations climatiques actuelles ou 'global change'. Chez les plantes C3, on constate généralement que l'enrichissement en CO2 provoque à court terme une stimulation de la photosynthèse. On peut donc s'attendre à ce que cette stimulation photosynthétique et la production supplémentaire de sucres qui en résulte agissent positivement sur la croissance des plantes. Cependant, il apparaît souvent que les plantes « s'acclimatent » à l'enrichissement en CO2 de sorte que l'effet positif sur la croissance est moindre que si la stimulation initiale était maintenue. Les sucres eux-mêmes pourraient contrôler cette acclimatation en exerçant un feed-back négatif sur la photosynthèse. Cela implique que lorsque la capacité de la plante à utiliser ce surplus des sucres est réduite, dans le cas d’une carence en azote par exemple, la réponse à l'enrichissement en CO2 peut également être affectée. Le but de notre travail était d’étudier et de modéliser les mécanismes qui contrôlent la réponse des plantes au CO2 en utilisant la plante modèle A. thaliana. Notre volonté était d’envisager, ensemble, les aspects physiologiques et moléculaires de cette réponse au niveau de la plante entière. Cela a nécessité la mise au point de deux équipements originaux. Le premier est un système de culture sur milieu liquide ou « hydroponique » permettant le contrôle et la manipulation de la disponibilité en éléments minéraux. Le second est un dispositif permettant la mesure des échanges gazeux d’une plante entière d’A. thaliana et la mesure de certains paramètres photosynthétiques en réponse à l’enrichissement en CO2. Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact du doublement de la teneur en CO2, soit 800 ppm, sur la croissance, la photosynthèse et la production des sucres lorsqu’il est appliqué dès le semis. Nous avons comparé la réponse de plantes soumises à trois régimes azotés et observé que l’enrichissement en CO2 stimulait la croissance lorsque la disponibilité en azote n’est pas limitante. Bien que l’activité photosynthétique soit réduite chez les plantes carencées en azote, cette réduction ne semble pas, dans nos conditions expérimentales, être le résultat d’une répression contrôlée par les sucres. Nos résultats indiquent plutôt que, placées dans des conditions environnementales stables, les plantes ajustent leur vitesse de croissance afin de maintenir un équilibre entre leur capacité à produire et à utiliser les sucres. Dans une seconde approche, nous avons tenté de modéliser les mécanismes principaux qui sous-tendent la réponse d’A. thaliana à l’enrichissement en CO2. L’observation que la croissance de mutants incapables d’utiliser l’amidon comme réserve transitoire de sucres n’était pas stimulée par l’augmentation de la teneur en CO2 nous a incités à centrer ce modèle sur l’allocation des sucres et en particulier la synthèse d’amidon. Les fonctions qui constituent ce modèle ont été mesurées expérimentalement et certaines n’ont pu être obtenues que grâce à l’analyse de mutants du métabolisme de l’amidon. Nous avons montré que le modèle était capable de prédire la croissance d’A. thaliana et de mutants du métabolisme de l’amidon sous une teneur ambiante ou double en CO2, suggérant que la synthèse d’amidon pourrait avoir, chez A. thaliana, une importance cruciale dans la réponse à l’enrichissement en CO2. Par ailleurs, cette modélisation a mis également en évidence l’importance du paramètre « vitesse de croissance » dans la réponse au CO2 et renforce donc les conclusions de notre étude expérimentale. Les outils que nous avons développés nous ont permis d’étudier, globalement, la réponse d’A. thaliana à l’enrichissement en CO2 dans un environnement stable et contrôlé dès le semis. Les résultats que nous avons obtenus sont par certains aspects – absence d’accumulation de sucres et de répression de la Rubisco sous une atmosphère enrichie en CO2 – atypiques. Ils mettent en lumière l’importance que jouent les conditions expérimentales dans les études sur la réponse des plantes au CO2 et, en particulier, sur l’interprétation des résultats qui en découlent. En effet, nos observations remettent en question le rôle des sucres dans le contrôle de l’acclimatation de la photosynthèse au CO2. Elles valident cependant notre stratégie expérimentale et notamment l’utilisation d’Arabidopsis dans une approche visant à modéliser un processus complexe, tel que celui de la réponse à l’augmentation de la teneur atmosphérique en CO2

Photobioreactors for efficient production of molecules with high added value, based upon an innovative technology for the production of porous materials

BIOVAMAT WINNOMAT2 71/666