Biochemical warfare on the reef : the role of glutathione transferases in consumer tolerance of dietary prostaglandins

© 2010 The Authors. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in PLoS ONE 5 (2010): e8537, doi:10.1371/journal.pone.0008537.Despite the profound variation among marine consumers in tolerance for allelochemically-rich foods, few studies have examined the biochemical adaptations underlying diet choice. Here we examine the role of glutathione S-transferases (GSTs) in the detoxification of dietary allelochemicals in the digestive gland of the predatory gastropod Cyphoma gibbosum, a generalist consumer of gorgonian corals. Controlled laboratory feeding experiments were used to investigate the influence of gorgonian diet on Cyphoma GST activity and isoform expression. Gorgonian extracts and semi-purified fractions were also screened to identify inhibitors and possible substrates of Cyphoma GSTs. In addition, we investigated the inhibitory properties of prostaglandins (PGs) structurally similar to antipredatory PGs found in high concentrations in the Caribbean gorgonian Plexaura homomalla. Cyphoma GST subunit composition was invariant and activity was constitutively high regardless of gorgonian diet. Bioassay-guided fractionation of gorgonian extracts revealed that moderately hydrophobic fractions from all eight gorgonian species examined contained putative GST substrates/inhibitors. LC-MS and NMR spectral analysis of the most inhibitory fraction from P. homomalla subsequently identified prostaglandin A2 (PGA2) as the dominant component. A similar screening of commercially available prostaglandins in series A, E, and F revealed that those prostaglandins most abundant in gorgonian tissues (e.g., PGA2) were also the most potent inhibitors. In vivo estimates of PGA2 concentration in digestive gland tissues calculated from snail grazing rates revealed that Cyphoma GSTs would be saturated with respect to PGA2 and operating at or near physiological capacity. The high, constitutive activity of Cyphoma GSTs is likely necessitated by the ubiquitous presence of GST substrates and/or inhibitors in this consumer's gorgonian diet. This generalist's GSTs may operate as ‘all-purpose’ detoxification enzymes, capable of conjugating or sequestering a broad range of lipophilic gorgonian compounds, thereby allowing this predator to exploit a range of chemically-defended prey, resulting in a competitive dietary advantage for this species.Financial support for this work was provided by the Ocean Life Institute Tropical Research Initiative Grant (WHOI) to KEW and MEH; the Robert H. Cole Endowed Ocean Ventures Fund (WHOI) to KEW; the National Undersea Research Center - Program Development Proposal (CMRC-03PRMN0103A) to KEW; Walter A. and Hope Noyes Smith, and a National Science Foundation Graduate Research Fellowship to KEW

Ekspresja genów syntazy sacharazowej i pirofosforylazy UDP-glukozy w lisciach Arabidopsis thaliana (L.) HEYNH. w warunkach zmiennego poziomu fosforu i sacharozy

Badano wpływ Pi oraz cukrów na ekspresją genów kodujących pirofosforylazę UDP-glukozy (Ugp) oraz syntazę sacharozową (Sus1) w liściach rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana L. HEYNH.). Niedobór fosforu zwiększał ekspresję Ugp lecz nie wpływał na poziom transkryptu Sus1. Egzogennie podawany do liści Pi (20-200 mmol-dm⁻³) stymulował Sus1 i nie zmieniał ekspresji Ugp. Podawanie D-mannozy z prądem transpiracyjnym do liści wzmagało ekspresję obu genów, jednak Ugp stymulowane było przez znacznie niższe stężenie D-mannozy niż Sus1. Ekspresja genów kodujących pirofosforylazę UDP-glukozy oraz syntazę sacharozową znacząco wzrastała po podaniu do liści sacharozy; ekspresja Sus1 wzrastała również po podaniu glukozy, mannitolu i PEG. Podkarmienie sacharozą liści mutanta pho1 (z deficytem fosforu w pędzie) zwiększało ekspresję Ugp i Sus1 w podobnym stopniu jak u roślin dzikiego typu. Podanie sacharozy do liści mutanta pho2 (akumulator fosforu) w niewielkim stopniu wpływało na ekspresję Ugp natomiast ekspresja Sus1 wzrastała silniej niż u roślin kontrolnych. Zależny od sacharozy wzrost ekspresji Ugp był hamowany po podaniu do liści kwasu okadaikowego, inhibitora fosfataz, natomiast ekspresja Sus1 była indukowana przez ten inhibitor. Uzyskane wyniki sugerują udział różnorodnych mechanizmów w regulacji ekspresji Ugp i Sus1, w zależności od czynnika indukującego zmiany.The effect of inorganic phosphate (Pi) level and carbohydrate/osmotic status on expression of genes encoding UDP-glucose pyrophosphorylase (Ugp) and sucrose synthase (Sus1) were investigated in Arabidopsis thaliana (L.) HEYNH. leaves. Phosphate deficiency strongly induced Ugp gene expression and had no influence on the level of Sus1 transcript in the leaves of Arabidopsis. Feeding leaves with Pi, at the concentration of 20-200 mmol-dm⁻³, increased Sus1 expression and had no significant effect on Ugp transcript level. Genes for UDP-glucose pyrophosphorylase and sucrose synthase were found to be strongly regulated by sugar and sugar/osmoticum, respectively. The increase of Ugp and Sus1 expression after feeding of sucrose to the leaves of pho1 mutant of Arabidopsis was not significantly higher than the transcripts level in wild-type plants. Sucrose, exogenously provided to the leaves of pho2 mutant had lower effect on Ugp transcript level than in wild-type plants, however Sus1 upregulation was higher in pho2 than in w-t. Sucrose-related induction of Ugp was inhibited by okadaic acid, an inhibitor of protein phosphatases; on the other hand, Sus1 expression was enhanced after okadaic acid treatment. The obtained results suggest that Ugp and Sus1 genes expression, both P- modulated and sugar/osmoticum-dependent, are regulated via distinct sensing mechanisms and distinct signaling pathways and are closely involved in homeos- tatic readjustments of plant responses to environmental stresses

Wplyw niedoboru fosforu na wzrost dwoch odmian owsa i aktywnosc kwasnych fosfataz

Badano wpływ deficytu fosforu na wzrost i aktywność kwaśnych fosfataz zewnątrzkomórkowych i wewnątrzkomórkowych w pędach i korzeniach owsa (Avena sativa L.) nowych odmian ‘Polar’ i ‘Szakal’ rosnących 1-3 tygodnie na pożywce pełnej (+P) lub bez fosforu (-P). Brak Pi w pożywce zahamował wzrost pędów i stymulował wydłużanie korzeni oraz obniżył poziom fosforu w tkankach roślin obu badanych odmian. Brak fosforu wpłynął w większym stopniu na wzrost i zawartość Pi w tkankach owsa odmiany ‘Polar’, niż owsa odmiany ‘Szakal’. Deficyt fosforu zwiększał głównie aktywność kwaśnych fosfataz zewnątrzkomórkowych, wydzielanych przez korzenie. Zwiększenie aktywności fosfataz wewnątrzkomórkowych obserwowano tylko w pędach roślin odmiany ‘Polar’, oraz w 3 tygodniu wzrostu w korzeniach roślin odmiany ‘Szakal’. Badane odmiany owsa różnią się pod względem aklimatyzacji do warunków wczesnego deficytu fosforu - uruchamiają różne pule kwaśnych fosfataz, aby pozyskać Pi z wewnętrznych i zewnętrznych źródeł.The influence of phosphate deficiency on growth and acid phosphatases activity in roots and shoots of two new oat (Avena sativa L.) cultivars: ‘Polar’ and ‘Szakal’ grown for 1-3 weeks on complete nutrient medium (+P) and without phosphate (-P) were investigated. Pi deficiency in nutrient solution decreased shoot growth but increased root elongation; it decreased internal Pi content of all the studied plants. Pi deficit had a greater impact on growth (and internal Pi content) of 'Polar' than that of 'Szakal'. Phosphorus deficiency increased mainly extracellular acid phosphatase activity, secreted by roots. The increase of intracellular acid phosphatase activity was generally less significant than extracellular phosphatases. It occurred mainly in 'Polar' shoots or in 'Szakal' roots after 3 weeks of growth on -P medium. The studied oat cultivars differ in terms of acclimation to early deficiency of phosphate - they used different pools of acid phosphatases to acquire Pi from the external or internal sources

Heavy metals and chlorinated hydrocarbons in some fish species from Odra river

Jednymi z wielu zanieczyszczeń, które z całego obszaru dorzecza Odry trafiają do jej ujścia są metale ciężkie oraz chlorowane węglowodory, w tym pestycydy i polichlorowane bifenyle. Substancje te są powszechnie znanym wskaźnikiem zanieczyszczenia środowiska. Porównanie stężeń metali ciężkich w badanych materiałach i porównanie ich z wartościami naturalnymi pozwala oszacować stopień skażenia ekosystemów, a w tym żyjących w nich organizmów (Johnels et al., 1967; Portmann, 1972). Z drugiej strony obecność substancji chloroorganicznych takich jak lindan, DDT czy polichlorowane bifenyle, które w środowisku są substancjami obcymi pokazuje nam w jakim stopniu w poszczególnych obszarach istotny jest problem antropopresji (Falandysz, 1982; Schneider, 1982; Zitko i in., 1976). Badania zawartości tych substancji w rybach i innych organizmach wodnych żyjących w wodach estuarium Odry podjęto na początku lat 70-tych (Chodyniecki i in., 1975). Wyniki badań wskazują, że poziom zanieczyszczenia hydrobiontów w estuarium Odry był bardzo zróżnicowany, co jest szczególnie widoczne w przypadku planktonu, w którym poziom kontaminantów obniżał się w miarę oddalania się od Szczecina w kierunku Bałtyku. Pewne różnice notowano także na podstawie badania tkanek ryb (Protasowicki, 1991; Ciereszko, 1993). Analiza wyników wieloletnich badań pozwoliła stwierdzić, że w tym czasie poziom rtęci, cynku i DDT w niektórych hydrobiontach wykazywał trend spadkowy. Rosła natomiast zawartość kadmu, ołowiu i PCB. Pozostałe badane ksenobiotyki (Cu i gamma-HCH) nie wykazywały istotnych tendencji zmian (Protasowicki, 1991; Ciereszko, 1993). Ryby są często wykorzystywane jako bioindykatory zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi i innymi substancjami toksycznymi czy szkodliwymi (Johnels i in., 1967; Portmann, 1972; Statham i in., 1976). Celem niniejszych badań było określenie poziomu bioakumulacji niektórych metali ciężkich i substancji chloroorganicznych w wybranych gatunkach ryb z Odry.Heavy metals and chlorinated hydrocarbons, in this pesticides and polychlorinated biphenyls are among many pollutants which from the whole area of Odra riverbasin flow to its outlet. These substances are universally well-known coefficient of environment pollution. Level of the contamination of ecosystems and living in them organisms may be estimated by comparison of concentrations of heavy metals in studied materials and comparison them with natural values. On the other hand presence of chloroorganic substances such as lindane, DDT or polychlorinated biphenyls, which are alien substances in the environment, shows us in what level in individual areas atropopression problem is significant. Fish are often used as bioindicators of environment pollution with heavy metals or other toxic or harmful substances. Bioaccumulation of some heavy metals (Hg, Cd, Pb, Cu, Zn) and chlororganic substances (?-HCH, ?DDT, PCB) in muscles, liver, kidneys, and gills of the selected fish species from the Odra River were determined. Fish for studies were caught in years 1996 - 2000 in Międzyodrze and Wrocław area: roach - Rutilus rutilus, rudd - Scardinius erythrophtalmus, bream - Abramis brama, white bream - Blicca bjoerkna, blue bream - Abramis ballerus, carp - Cyprinus carpio, asp - Aspius aspius and perch - Perca fluviatilis. Content of heavy metals and chlororganic substances in studied tissues differed depending on fish species, kind of organ and fishing area (the last conclusion concerns heavy metals content only). The higher contents of mercury and lead were fund fish organs caught in Międzyodrze than these coming from Odra in Wrocław area. In the case of copper and zinc relations were opposite. While relation among contents of cadmium was not so explicit and depended from organ in considerable measure - the higher content of this element occurred in fish kidneys and gill while its concentration was lower in muscles in Wroclaw area and in livers these differences changed in dependence on species. Analysed chlorinated hydrocarbons in biggest quantities usually were accumulated in livers, and in far order in muscles and gills. Accumulation of lindane in asp organs was an exceptio