Regulation of biosynthesis and transport of strigolactones and their effect on plant development

Strigolactonen zijn van carotenoïden afkomstige signaalmoleculen, aanvankelijk geïdentificeerd als de kiemstimulantia voor wortelparasieten van de Orobanchaceae familie en pre-symbiotisch signaal voor arbusculaire mycorrhiza (AM) schimmels. Strigolactonen zijn aangetoond in de wortelextracten en exudaten van diverse plantensoorten. Recent zijn strigolactonen - of hun afgeleiden - geïdentificeerd als plantenhormoon betrokken bij de regulatie van de plantarchitectuur. Het lijkt erop dat strigolactonen vooral in de wortels worden geproduceerd, maar de exacte plaats van strigolacton biosynthese is onbekend. Niettemin is het waarschijnlijk dat strigolactonen vanuit de wortels naar de scheut worden getransporteerd waar zij hun remmende werking op okselknopuitgroei, in samenwerking met auxine en cytokinines, uitoefenen. Tot nu toe zijn strigolactonen in de scheut van planten niet of nauwelijks aangetoond. Ook de biosynthese van strigolactonen is nog niet volledig opgehelderd. Een onbekend carotenoid substraat wordt opeenvolgend geknipt door CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 7 (CCD7) en CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 8 (CCD8). Hiernaast, zijn twee enzymen, MORE AXILLARY GROWTH 1 (MAX1) and DWARF 27 (D27), betrokken bij de biosyntheses van strigolactonen, maar hun exacte rol is onbekend. In hoofdstuk 1, worden de wortelparasitaire planten van de Orobanchaceae familie en de problemen welke zij veroorzaken in de landbouw geïntroduceerd. Verder wordt de rol van strigolactonen in de levenscyclus van deze parasieten en in AM symbiose besproken. Daarnaast, wordt de recent ontdekte hormonale functie van strigolactonen in de plantarchitectuur, hun biosynthese, hormonale signalering en de twee gangbare theorieën over hoe strigolactonen een rol spelen bij apicale dominantie beschreven. Van 5-deoxystrigol wordt gedacht dat dit het eerste echte strigolacton afkomstig van de strigolacton biosynthese route is. Aangenomen wordt dat 5-deoxystrigol via een aantal - al dan niet enzymatische - stappen de precursor is voor alle andere bekende strigolactonen. In hoofdstuk 2, wordt de biosynthese van solanacol in de wortel van tomaat (Solanum lycopersicum) beschreven. Solanacol heeft een aromatische A-ring en daardoor is de biosyntheses van dit strigolactone via 5-deoxystrigol niet voor de hand liggend. Op basis van de aanwezigheid van andere strigolactonen in tomaat (orobanchol, orobanchyl acetate, twee 7-hydroxy-orobanchol isomeren, 7-oxo-orobanchol en vier didehydro-orobanchol isomeren) speculeren wij hoe solanacol door een series van enzymatische hydroxylatie-dehydroxylatie reacties, de migratie van een methyl groep en de introductie van dubbele bindingen van 5-deoxystrigol afgeleid kan zijn. In hoofdstuk 3bespreken we de klonering van een tomaat CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 8(SlCCD8) en demonsteren dat een reductie in CCD8 expressie leid tot een reductie van strigolactonen in de wortel extracten, exudaten en het xyleem sap. Alle lijnen tonen excessieve zijscheutgroei, zijn korter en hebben meer internodes. Ook demonstreren wij dat de sterkte van al deze fenotypes correleert met de concentratie orobanchol in het xyleem sap. Verder tonen we aan dat een milde reductie in strigolacton biosynthese en de gerelateerde secretie naar de rhizosphere voldoende is om parasitisme door Phelipanche ramosa met 90% te verminderen. Dit zonder de apicale dominantie of AM symbiose te sterk nadelig te beïnvloeden. Verder melden we enkele additionele fenotypes in de reproductieve ontwikkeling van tomaat (zoals kleinere bloemen, vruchten en zaden) - normaliter geassocieerd met gereduceerde auxine niveaus. We demonstreren verlaagde niveaus van vrij auxine in deze organen, wat er op wijst dat deze fenotypes mogelijk een consequentie zijn van het ontbreken van het regulerende effect van strigolactonen op het auxine niveau. Het goed beschreven plant hormoon abscissine zuur (ABA) is net als de strigolactonen afkomstig van de carotenoïden. Eerdere experimenten binnen onze groep wezen uit dat een mutatie in 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) – een sleutel enzym betrokken bij de ABA biosyntheses – leidt tot een reductie in de strigolacton productie. Dit gaf aanleiding tot onderzoek naar de relatie tussen ABA en strigolactonen. De resultaten van dit onderzoek worden omschreven in hoofdstuk 4. Wij demonstreren dat applicatie van de carotenoid cleavage dioxygenase (CCD) inhibitor D2 het strigolacton niveau verlaagt, maar geen effect heeft op de ABA concentraties. Echter, in planten behandeld met abamineSG – een remmer van de 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenases (NCEDs) - en in de ABA deficiënte mutanten notabilis, sitiens en flacca (mutanten in twee verschillende enzymatische stappen van de ABA biosynthese), zijn de niveaus van zowel ABA als strigolactonen gereduceerd. Onze resultaten duiden op een correlatie tussen ABA niveaus en strigolacton biosynthese en wijzen op een mogelijke rol van ABA in de regulatie van strigolacton biosynthese. In hoofdstuk 5wordt de rol van twee GRAS-type transcriptie factoren (NSP1 en NSP2) in de regulatie van strigolacton biosynthese besproken. In peulvruchten hebben deze transcriptie factoren een essentiële rol in de door Rhizobium Nod factor geïnduceerde nodulatie. In dit hoofdstuk tonen we aan dat NSP1 en NSP2 ook vereist zijn voor de strigolactone biosynthese in Medicago truncatula (Medicago) enrijst. Hiervoor is Medicago opgezet als een modelplant voor stigolacton analyse. Ook tonen wij aan dat het strigolactonenmengsel van M. truncatulabestaat uit dedihydro-orobanchol (major) en orobanchol (minor). In dit werk identificeren we voor het eerst transcriptie factoren welke de biosynthese van strigolactonen reguleren. Wij tonen aan dat NSP1 de strigolacton biosynthese reguleert door middel van de regulatie van de expressie van D27. Een in vitro binding studie toont dat MtD27 eenprimair doel van MtNSP1 kan zijn. Verder tonen wij aan dat MtNSP2 essentieel is voor de conversie van orobanchol naar dedihydro-orobanchol. Het feit dat NSP1 en NSP2 vereist zijn voor strigolacton biosynthese in zowel rijst als Medicago - soorten die twee verschillende fylogenetische geslachten vertegenwoordigen welke ongeveer 150 miljoen jaar geleden ontstaan zijn – brengt ons tot de aanname dat de regulatie van de strigolacton biosynthese door NSP1 en NSP2 als een voorouderlijke functie in hogere planten is geconserveerd. In hoofdstuk 6bestuderen we strigolacton biosynthese in Arabidopsis thaliana (Arabidopsis). Strikte controle van de groeicondities en optimalisatie van de analytische protocollen voor strigolacton analyse maakte de detectie van orobanchol, orobanchyl acetaat en 5-deoxystrigol in Arabidopsis mogelijk. In dit hoofdstuk tonen wij aan dat de relatie tussen fosfaat tekort en de inductie van strigolacton biosynthes ook in deze soort aanwezig is. Dat is opmerkelijk omdat Arabidopsis geen AM symbiose aangaat in tegenstelling tot de meeste andere landplanten. Het ontbreken van AM symbiose in Arabidopsis is daarom mogelijk een verloren eigenschap. Wij speculeren dat de exudatie van strigolactonen naar de rhizosfeer – wat Arabidopsis zij het in lage hoeveelheden nog steeds doet - een overblijfsel is van deze voorouderlijke eigenschap welke door Arabidopsis verloren is. Echter, onze resultaten demonstreren dat de verhoging van de strigolacton biosynthese in Arabidopsis onder fosfaat tekort dient om de groei van de zijscheuten te verminderen onder deze suboptimale condities. Wij speculeren dat dit mogelijk een evolutionair voordeel schept welke de nieuwe stuwende kracht is voor het behoud van fosfaat-tekort geïnduceerde verhoging van de strigolacton biosynthese in Arabidopsis, aangezien AM symbiose niet meer aanwezig is.We tonen aan dat orobanchol getransporteerd wordt in het xyleem sap en dat de concentratie hiervan omhoog gaat onder fosfaat tekort. Verder leveren we analytisch bewijs dat MAX1 is vereist voor de biosynthese van orobanchol. Een nieuwe functie van strigolactonen in de regulatie van wortelarchitectuur in tomaat en Arabidopsis is recent ontdekt. In hoofdstuk 7tonen we dat een reductie in strigolacton biosynthese en/of perceptie - als vertoond in de max1,2,4 mutanten - leidt tot een reductie in de lengte van het primaire wortelmeristeem. We demonstreren dat toediening van het synthetische strigolacton GR24 dit fenotype in alle max mutanten - uitgezonderd de strigolacton ongevoelige mutant max2 – kan herstellen.De toediening van GR24 onder toereikende fosfaat condities reduceert het totale aantal laterale wortels per plant - hun ontwikkeling wordt gestopt in fase vijf van de laterale wortel primordium initiatie. Ook tonen wij aan dat hogere concentraties GR24 de initiatie van deze laterale wortel primordia compleet blokkeren wat leidt tot het instorten van het primaire wortelmeristeem.Echter, als GR24 samen met exogeen auxine (NAA) wordt toegediend heeft het een stimulerend effect op de laterale wortelontwikkeling en -uitgroei. Daaraan analoog, onder fosfaatbeperkende condities stimuleert de verhoging van endogene strigolacton niveaus (hoofdstuk 6) in wild type planten een snellere uitgroei van laterale wortel primordia vergeleken met de strigolacton-deficiënte mutanten. Verder demonstreren wij dat – onder toereikende fosfaat condities - GR24 toediening aan het wortelsysteem van Arabidopsis leidt tot een lagere auxineconcentratie in de bladeren. Gecombineerd wijzen deze resultaten erop dat strigolactonen lokale auxine gradiënten modificeren en zo invloed uitoefenen op de wortel architectuur. Daardoor zal het netto resultaat van de strigolactone werking op de ontwikkeling van het wortelstelsel afhangen van de auxine status van een plant. Wij denken dat een uiterst fijn gereguleerde balans tussen auxine en strigolactonen de basis vormt voor het mechanisme dat de wortel-scheut ratio van een plant reguleert, bijvoorbeeld onder fosfaat limiterende condities. Hoofdstuk 8is een samenvatting en discussie van de meest belangrijke resultaten verkregen gedurende het werk gepresenteerd in dit proefschrift. Er wordt getracht de nieuw verkregen kennis te integreren met de huidige kennis van strigolactonen. Zowel op het gebied van hun hormonale eigenschappen als hun rol als rhizosfeer signaal. In dit hoofdstuk word verder vooruit gekeken naar de perspectieven van het onderzoek aan strigolactonen. Speciale aandacht wordt besteed aan de relatie met het probleem van de parasitaire planten. </p

Auxin transport, metabolism, and signalling during nodule initiation: indeterminate and determinate nodules

Most legumes can form a unique type of lateral organ on their roots: root nodules. These structures host symbiotic nitrogen-fixing bacteria called rhizobia. Several different types of nodules can be found in nature, but the two best-studied types are called indeterminate and determinate nodules. These two types differ with respect to the presence or absence of a persistent nodule meristem, which consistently correlates with the cortical cell layers giving rise to the nodule primordia. Similar to other plant developmental processes, auxin signalling overlaps with the site of organ initiation and meristem activity. Here, we review how auxin contributes to early nodule development. We focus on changes in auxin transport, signalling, and metabolism during nodule initiation, describing both experimental evidence and computer modelling. We discuss how indeterminate and determinate nodules may differ in their mechanisms for generating localized auxin response maxima and highlight outstanding questions for future research

Thermoperiodic Control of Hypocotyl Elongation Depends on Auxin-Induced Ethylene Signaling That Controls Downstream PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR3 Activity

<p>We show that antiphase light-temperature cycles (negative day-night temperature difference [2DIF]) inhibit hypocotyl growth in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). This is caused by reduced cell elongation during the cold photoperiod. Cell elongation in the basal part of the hypocotyl under 2DIF was restored by both 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC; ethylene precursor) and auxin, indicating limited auxin and ethylene signaling under 2DIF. Both auxin biosynthesis and auxin signaling were reduced during 2DIF. In addition, expression of several ACC Synthase was reduced under 2DIF but could be restored by auxin application. In contrast, the reduced hypocotyl elongation of ethylene biosynthesis and signaling mutants could not be complemented by auxin, indicating that auxin functions upstream of ethylene. The PHYTOCHROME INTERACTING FACTORS (PIFs) PIF3, PIF4, and PIF5 were previously shown to be important regulators of hypocotyl elongation. We now show that, in contrast to pif4 and pif5 mutants, the reduced hypocotyl length in pif3 cannot be rescued by either ACC or auxin. In line with this, treatment with ethylene or auxin inhibitors reduced hypocotyl elongation in PIF4 overexpressor (PIF4ox) and PIF5ox but not PIF3ox plants. PIF3 promoter activity was strongly reduced under 2DIF but could be restored by auxin application in an ACC Synthase-dependent manner. Combined, these results show that PIF3 regulates hypocotyl length downstream, whereas PIF4 and PIF5 regulate hypocotyl length upstream of an auxin and ethylene cascade. We show that, under 2DIF, lower auxin biosynthesis activity limits the signaling in this pathway, resulting in low activity of PIF3 and short hypocotyls.</p

Ondergrondse communicatie: de driehoeksrelatie gastheerplant, parasitaire plant en mycorrhiza-schimmel

De ontdekking van strigolactonen laat zien dat planten op grote schaal ondergronds communiceren. Planten produceren die strigolactonen niet om te communiceren met de parasitaire planten, maar met de mycorrhiza schimmels en mogelijk ook andere voor de plant nuttige organismen. De parasitaire planten hebben een mechanisme ontwikkeld om deze communicatie af te luisteren en te gebruiken in hun eigen voordeel. Om het grote belang van deze stoffen verder te onderzoeken heeft Harro Bouwmeester begin 2006 van NWO een Vici-fellowship ontvangen ter waarde van 1.2 miljoen euro. Met een onderzoeksgroep, waartoe ook auteur Wouter Kohlen behoort, probeert hij de genen in kaart te brengen die zijn betrokken bij de productie van strigolactonen en inzicht te krijgen in hoe ze gereguleerd worden. Ook wil het team weten hoe de strigolactonen worden waargenomen door de parasitaire planten en hoe deze stoffen de interactie tussen de gastheer en beide bezoekers - parasitaire planten en mycorrhiza schimmels - reguleren. De bedoeling is dat het onderzoek niet alleen het begrip zal verbeteren van hoe gastheren communiceren met mycorrhiza schimmels en parasitaire planten, maar ook zal bijdragen aan het verminderen van een reusachtig probleem in Afrika, waar in vele landen Striga de oorzaak is van catastrofale oogstverlieze

Loss of Octarepeats in Two Processed Prion Pseudogenes in the Red Squirrel, Sciurus vulgaris

The N-terminal region of the mammalian prion protein (PrP) contains an ‘octapeptide’ repeat which is involved in copper binding. This eight- or nine-residue peptide is repeated four to seven times, depending on the species, and polymorphisms in repeat number do occur. Alleles with three repeats are very rare in humans and goats, and deduced PrP sequences with two repeats have only been reported in two lemur species and in the red squirrel, Sciurus vulgaris. We here describe that the red squirrel two-repeat PrP sequence actually represents a retroposed pseudogene, and that an additional and older processed pseudogene with three repeats also occurs in this species as well as in ground squirrels. We argue that repeat numbers may tend to contract rather than expand in prion retropseudogenes, and that functional prion genes with two repeats may not be viable

Genetic variation in strigolactone production and tillering in rice and its effect on Striga hermonthica infection

Tillering in cereals is a complex process in the regulation of which also signals from the roots in the form of strigolactones play an important role. The strigolactones are signalling molecules that are secreted into the rhizosphere where they act as germination stimulants for root parasitic plants and hyphal branching factors for arbuscular mycorrhizal fungi. On the other hand, they are also transported from the roots to the shoot where they inhibit tillering or branching. In the present study, the genetic variation in strigolactone production and tillering phenotype was studied in twenty rice varieties collected from all over the world and correlated with S. hermonthica infection. Rice cultivars like IAC 165, IAC 1246, Gangweondo and Kinko produced high amounts of the strigolactones orobanchol, 2′-epi-5-deoxystrigol and three methoxy-5-deoxystrigol isomers and displayed low amounts of tillers. These varieties induced high S. hermonthica germination, attachment, emergence as well as dry biomass. In contrast, rice cultivars such as Super Basmati, TN 1, Anakila and Agee displayed high tillering in combination with low production of the aforementioned strigolactones. These varieties induced only low S. hermonthica germination, attachment, emergence and dry biomass. Statistical analysis across all the varieties confirmed a positive correlation between strigolactone production and S. hermonthica infection and a negative relationship with tillering. These results show that genetic variation in tillering capacity is the result of genetic variation in strigolactone production and hence could be a helpful tool in selecting rice cultivars that are less susceptible to S. hermonthica infection

Pancreatitis after percutaneous ethanol injection into HCC: a minireview of the literature

Deaths after percutaneous ethanol injection (PEI) into hepatocellular carcinoma (HCC) may occur within a few hours to a few days following the procedure because of hemoperitoneum and haemorrhage from oesophageal varices or hepatic insufficiency. Pancreatitis has been recently reported as a rare lethal complication of intra-arterial PEI, another modality for treating HCCs. In this minireview, we analyze the literature concerning the development of acute pancreatitis after PEI. Pathogenesis of pancreatitis from opioids and ethanol is also addressed. Treatment with opioids to reduce the patient's abdominal pain after PEI in combination with the PEI itself may lead to direct toxic effects, thus favouring the development of pancreatitis

Reconstitution of the Costunolide Biosynthetic Pathway in Yeast and Nicotiana benthamiana

The sesquiterpene costunolide has a broad range of biological activities and is the parent compound for many other biologically active sesquiterpenes such as parthenolide. Two enzymes of the pathway leading to costunolide have been previously characterized: germacrene A synthase (GAS) and germacrene A oxidase (GAO), which together catalyse the biosynthesis of germacra-1(10),4,11(13)-trien-12-oic acid. However, the gene responsible for the last step toward costunolide has not been characterized until now. Here we show that chicory costunolide synthase (CiCOS), CYP71BL3, can catalyse the oxidation of germacra-1(10),4,11(13)-trien-12-oic acid to yield costunolide. Co-expression of feverfew GAS (TpGAS), chicory GAO (CiGAO), and chicory COS (CiCOS) in yeast resulted in the biosynthesis of costunolide. The catalytic activity of TpGAS, CiGAO and CiCOS was also verified in planta by transient expression in Nicotiana benthamiana. Mitochondrial targeting of TpGAS resulted in a significant increase in the production of germacrene A compared with the native cytosolic targeting. When the N. benthamiana leaves were co-infiltrated with TpGAS and CiGAO, germacrene A almost completely disappeared as a result of the presence of CiGAO. Transient expression of TpGAS, CiGAO and CiCOS in N. benthamiana leaves resulted in costunolide production of up to 60 ng.g−1 FW. In addition, two new compounds were formed that were identified as costunolide-glutathione and costunolide-cysteine conjugates