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

Bezahlsysteme für Bibliotheken

Workshop der Mitarbeiter der EDV-Abteilungen der wissenschaftlichen Bibliotheken in Thüringen am 07. Mai 2008, Jen

Hospital Ethics Committees in the USA and in Germany : bioethics qua practice, nurses' participation and the issues of care

[no abstract

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

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