Expansive evolution of the TREHALOSE-6-PHOSPHATE PHOSPHATASE gene family in Arabidopsis

Trehalose is a nonreducing sugar used as a reserve carbohydrate and stress protectant in a variety of organisms. While higher plants typically do not accumulate high levels of trehalose, they encode large families of putative trehalose biosynthesis genes. Trehalose biosynthesis in plants involves a two-step reaction in which trehalose-6-phosphate (T6P) is synthesized from UDPglucose and glucose-6-phosphate (catalyzed by T6P synthase [TPS]), and subsequently dephosphorylated to produce the disaccharide trehalose (catalyzed by T6P phosphatase [TPP]). In Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), 11 genes encode proteins with both TPS- and TPP-like domains but only one of these (AtTPS1) appears to be an active (TPS) enzyme. In addition, plants contain a large family of smaller proteins with a conserved TPP domain. Here, we present an in-depth analysis of the 10 TPP genes and gene products in Arabidopsis (TPPA-TPPJ). Collinearity analysis revealed that all of these genes originate from whole-genome duplication events. Heterologous expression in yeast (Saccharomyces cerevisiae) showed that all encode active TPP enzymes with an essential role for some conserved residues in the catalytic domain. These results suggest that the TPP genes function in the regulation of T6P levels, with T6P emerging as a novel key regulator of growth and development in higher plants. Extensive gene expression analyses using a complete set of promoter-beta-glucuronidase/green fluorescent protein reporter lines further uncovered cell- and tissue-specific expression patterns, conferring spatiotemporal control of trehalose metabolism. Consistently, phenotypic characterization of knockdown and overexpression lines of a single TPP, AtTPPG, points to unique properties of individual TPPs in Arabidopsis, and underlines the intimate connection between trehalose metabolism and abscisic acid signaling

Functional analysis of the trehalose metabolism gene family in Arabidopsis thaliana

Trehalose heeft een belangrijke rol als reserve koolhydraat en stress-beschermer in een groot aantal verschillende organismen. Dit suiker wordt hoofdzakelijk aangemaakt met behulp van twee enzymes, trehalose-6-fosfaat (T6P)-synthase (TPS) en T6P-fosfatase (TPP). Lange tijd werd aangenomen dat trehalose synthese afwezig zou zijn in hoger geëvolueerde planten, niettegenstaande trehalose in grote hoeveelheden opgestapeld wordt in sommige lagere planten in droogte-stress. Heterologe expressie van microbiële trehalose biosynthese genen veroorzaakte echter dramatische veranderingen in groei, ontwikkeling, metabolisme, en stress resistentie in hogere planten, wat wijst op een belangrijke regulatorische functie. Meer nog, hogere planten blijken een hele familie van trehalose biosynthese orthologen te bevatten, wat suggereert dat de synthese van dit suiker in planten lang niet zo uitzonderlijk is als voordien verondersteld werd.In dit werk werden de 21 genen van de model plant Arabidopsis thaliana, die vermoedelijke coderen voor trehalose biosynthese enzymen, getest in een groei- complementatie proef in gistcellen. Hierbij bleek van de klasse I TPS proteïnen enkel AtTPS1 de groei van een gist tps1 mutant op glucose te herstellen, conform eerdere gerapporteerde TPS activiteitsmetingen voor dit enzyme. In tegenstelling tot de klasse II TPS homologen die de groei van de gist mutanten niet konden complementeren (duidend op niet-significant TPS/TPP activiteit), hadden de klasse III TPP proteïnen allen duidelijk TPP activiteit, met welliswaar verschillende kinetische eigenschappen. De aanwezigheid van T6P binding plaatsen in de klasse II TPS proteïnen, duidt eerder op een functie als T6P sensoren dan als katalytisch actieve enzymen.In tegenstelling tot de robuuste regulatie door suiker- en licht behandelingen van de klasse II TPS genen, blijken de klasse III TPP genen veleer minder sterk gereguleerd door deze behandelingen. Echter, een gedetaileerde studie van de expressie van de 10 verschillende TPP genen, wijst op een opmerkelijk divers expressiepatroon voor elke gen in ruimte en tijd. Meer nog, sommige TPP genen vertonen zeer verfijnde expressies in specifieke cellen of in een bepaalde ontwikkelingsfase. Deze resultaten zijn consistent met de belangrijke regulatorisch functies van, en de noodzaak aan een strakke controle over, de hoeveelheid T6P, wetende dat de klasse III TPP genen coderen voor actieve TPP proteïnen. Meer nog, T6P komt steeds vaker naar voor als een nieuwe groeiregulator, die de koolstof voorziening koppelt aan de groei, de ontwikkeling en de stress resistentie van planten.Verder werd er aandacht geschonken aan één klasse II TPS gen (AtTPS5), één klasse III TPP gen (AtTPPG), en AtTRE1, het enige trehalase gen gekend in Arabidopsis. Het afzonderlijk deleteren van deze genen veroorzaakte onder normale groei-omstandigheden geen grote fenotypische veranderingen in Arabidopsis. Afhankelijke van het licht regime, werden echter wel gewijzigde bladontwikkeling en bloei-inductie waargenomen bij de AtTPS5 en AtTRE1 gedeleteerde planten en AtTPPG mutatie gaf aanleiding tot een gemodificeerd zetmeel metabolisme. Meer nog, trehalase blijkt een belangrijke rol te spelen in de reactie van planten op stress. Alle 3 de genen zijn ook, welliswaar in verschillende mate, betrokken bij het optimale gebruik van koolhydraten, werkzaam in de coördinatie van de groei van de plant met de energie voorziening. Heel interesant hierbij is dat de welgekende energie sensor, SnRK1, zowel AtTPS5 als AtTPPG blijkt te reguleren, zowel op transcriptioneel als op translationeel niveau. Proteïne-proteïne interactie-studies, uitgevoerd om meer directe functies te vinden voor zowel AtTPS5 als AtTPPG, toonden ons een hele resem van verschillende enzymen als potentiële interagerende proteïnen. Deze enzymen zijn betrokken in verschillende uiteenlopende processen in de plant: van metabolisme, signalering tot ontwikkeling. Dit wijst erop dat trehalose metabolisme mogelijks betrokken is, en een significante betekenis kan hebben, in alle facetten van een plantenleven.Tot slot zijn we dieper ingegaan op de functie van suiker en energie signalering in biotische stress reacties in hogere planten. Hiervoor hebben we gebruik gemaakt van een specifiek plant-pathogeen pathosystem, met de obligaat biotroof Plasmodiophora brassicae en de model plant Arabidopsis. We hebben hierbij duidelijke indicaties gevonden dat SnRK1 activiteit de reactie van de plant in infectie sterk beïnvloedt. Niettegenstaande we het exact werkingsmechanisme nog aan het ontrafelen zijn, blijkt de globale inductie van een energie besparend programma door SnRK1 activiteit de incentieven van de pathogeen tegen te werken. De pathogeen wil namelijk het endogeen plant koolstof metabolisme misleiden en gebruiken in zijn voordeel. Kennis van de exacte moleculaire mechanismen achter plant trehalose metabolisme en SnRK sigalering zal ons mogelijk maken in de nabije toekomst om belangrijke landbouwgewassen te verbeteren naar een hogere kwaliteit en opbrengst.status: publishe

The Cytophaga hutchinsonii ChTPSP: first characerized bifuncitonal TPS-TPP protein as putative ancestor of all eukaryotic trehalose biosynthesis proteins

The most widely distributed pathway to synthesize trehalose in nature consists of two consecutive enzymatic reactions with a trehalose-6-P (T6P)-synthase (TPS) enzyme, producing the intermediate T6P, and a T6P-phosphatase (TPP) enzyme, which dephosphorylates T6P to produce trehalose and inorganic phosphate. In plants, these enzymes are called Class I and Class II proteins, respectively, with some Class I proteins being active enzymes. The Class II proteins possess both TPS and TPP consensus regions but appear to have lost enzymatic activity during evolution. Plants also contain an extra group of enzymes of small protein size, of which some members have been characterized as functional TPPs. These Class III proteins have less sequence similarity with the Class I and Class II proteins. Here, we characterize for the first time, by using biochemical analysis and yeast growth complementation assays, the existence of a natural TPS-TPP bifunctional enzyme found in the bacterial species Cytophaga hutchinsonii. Through phylogenetic analysis, we show that prokaryotic genes such as ChTPSP might be the ancestor of the eukaryotic trehalose biosynthesis genes. Second, we show that plants have recruited during evolution, possibly by horizontal transfer from bacteria such as Rhodoferax ferrireducens, a new type of small protein, encoding TPP activity, which have been named Class III proteins. RfTPP has very high TPP activity upon expression in yeast. Finally, we demonstrate that TPS gene duplication, the recruitment of the Class III enzymes, and recruitment of an N-terminal regulatory element, which regulates the Class I enzyme activity in higher plants, were initiated very early in eukaryan evolution as the three classes of trehalose biosynthesis genes are already present in the alga Ostreococcus tauri.status: publishe

A Single Active Trehalose-6-P Synthase (TPS) and a Family of Putative Regulatory TPS-Like Proteins in Arabidopsis

Higher plants typically do not produce trehalose in large amounts, but their genome sequences reveal large families of putative trehalose metabolism enzymes. An important regulatory role in plant growth and development is also emerging for the metabolic intermediate trehalose-6-P (T6P). Here, we present an update on Arabidopsis trehalose metabolism and a resource for further detailed analyses. In addition, we provide evidence that Arabidopsis encodes a single trehalose-6-P synthase (TPS) next to a family of catalytically inactive TPS-like proteins that might fulfill specific regulatory functions in actively growing tissues.status: publishe

Redundant and non-redundant roles of the trehalose-6-phosphate phosphatases in leave growth, root hair specification and energy-responses in Arabidopsis

The Arabidopsis trehalose-6-phosphate phosphatase (TPP) gene family arose mainly from whole genome duplication events and consists of 10 genes (TPPA-J). All the members encode active TPP enzymes, possibly regulating the levels of trehalose-6-phosphate, an established signaling metabolite in plants. GUS activity studies revealed tissue-, cell- and stage-specific expression patterns for the different members of the TPP gene family. Here we list additional examples of the remarkable features of the TPP gene family. TPPA-J expression levels seem, in most of the cases, differently regulated in response to light, darkness and externally supplied sucrose. Disruption of the TPPB gene leads to Arabidopsis plants with larger leaves, which is the result of an increased cell number in the leaves. Arabidopsis TPPA and TPPG are preferentially expressed in atrichoblast cells. TPPA and TPPG might fulfill redundant roles during the differentiation process of root epidermal cells, since the tppa tppg double mutant displays a hairy root phenotype, while the respective single knockouts have a distribution of trichoblast and atrichoblast cells similar to the wild type. These new data portray redundant and non-redundant functions of the TPP proteins in regulatory pathways in Arabidopsis

Overexpression of the trehalase gene AtTRE1 leads to increased drought stress tolerance in Arabidopsis and is involved in abscisic acid-induced stomatal closure

Introduction of microbial trehalose biosynthesis enzymes has been reported to enhance abiotic stress resistance in plants but also resulted in undesirable traits. Here, we present an approach for engineering drought stress tolerance by modifying the endogenous trehalase activity in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). AtTRE1 encodes the Arabidopsis trehalase, the only enzyme known in this species to specifically hydrolyze trehalose into glucose. AtTRE1-overexpressing and Attre1 mutant lines were constructed and tested for their performance in drought stress assays. AtTRE1-overexpressing plants had decreased trehalose levels and recovered better after drought stress, whereas Attre1 mutants had elevated trehalose contents and exhibited a drought-susceptible phenotype. Leaf detachment assays showed that Attre1 mutants lose water faster than wild-type plants, whereas AtTRE1-overexpressing plants have a better water-retaining capacity. In vitro studies revealed that abscisic acid-mediated closure of stomata is impaired in Attre1 lines, whereas the AtTRE1 overexpressors are more sensitive toward abscisic acid-dependent stomatal closure. This observation is further supported by the altered leaf temperatures seen in trehalase-modified plantlets during in vivo drought stress studies. Our results show that overexpression of plant trehalase improves drought stress tolerance in Arabidopsis and that trehalase plays a role in the regulation of stomatal closure in the plant drought stress response

Ggo's in onze voedselproductie: bijdrage tot een genuanceerd debat

status: publishe