Activation of cell division in the root apical meristem after germination is essential for postembryonic root development. Arabidopsis plants homozygous for a mutation in the ROOT MERISTEMLESS1 (RML1) gene are unable to establish an active postembryonic meristem in the root apex. This mutation abolishes cell division in the root but not in the shoot. We report the molecular cloning of the RML1 gene, which encodes the first enzyme of glutathione (GSH) biosynthesis, gamma-glutamylcysteine synthetase, and which is allelic to CADMIUM SENSITIVE2. The phenotype of the rml1 mutant, which was also evident in the roots of wild-type Arabidopsis and tobacco treated with an inhibitor of GSH biosynthesis, could be relieved by applying GSH to rml1 seedlings. By using a synchronized tobacco cell suspension culture, we showed that the G(1)-to-S phase transition requires an adequate level of GSH. These observations suggest the existence of a GSH-dependent developmental pathway essential for initiation and maintenance of cell division during postembryonic root development.

Tight control of cellular redox homeostasis is essential for protection against oxidative damage and for maintenance of normal metabolism as well as redox signaling events. Under oxidative stress conditions, the tripeptide glutathione can switch from its reduced form (GSH) to oxidized glutathione disulfide (GSSG), and thus, forms an important cellular redox buffer. GSSG is normally reduced to GSH by 2 glutathione reductase (GR) isoforms encoded in the Arabidopsis genome, cytosolic GR1 and GR2 dual-targeted to chloroplasts and mitochondria. Measurements of total GR activity in leaf extracts of wild-type and 2 gr1 deletion mutants revealed that ≈65% of the total GR activity is attributed to GR1, whereas ≈35% is contributed by GR2. Despite the lack of a large share in total GR activity, gr1 mutants do not show any informative phenotype, even under stress conditions, and thus, the physiological impact of GR1 remains obscure. To elucidate its role in plants, glutathione-specific redox-sensitive GFP was used to dynamically measure the glutathione redox potential ( E GSH ) in the cytosol. Using this tool, it is shown that E GSH in gr1 mutants is significantly shifted toward more oxidizing conditions. Surprisingly, dynamic reduction of GSSG formed during induced oxidative stress in gr1 mutants is still possible, although significantly delayed compared with wild-type plants. We infer that there is functional redundancy in this critical pathway. Integrated biochemical and genetic assays identify the NADPH-dependent thioredoxin system as a backup system for GR1. Deletion of both, NADPH-dependent thioredoxin reductase A and GR1, prevents survival due to a pollen lethal phenotype.

Abstract Intracellular redox status is a critical parameter determining plant development in response to biotic and abiotic stress. Thioredoxin (TRX) and glutathione are key regulators of redox homeostasis, and the TRX and glutathione pathways are essential for postembryonic meristematic activities. Here, we show by associating TRX reductases (ntra ntrb) and glutathione biosynthesis (cad2) mutations that these two thiol reduction pathways interfere with developmental processes through modulation of auxin signaling. The triple ntra ntrb cad2 mutant develops normally at the rosette stage, undergoes the floral transition, but produces almost naked stems, reminiscent of the phenotype of several mutants affected in auxin transport or biosynthesis. In addition, the ntra ntrb cad2 mutant shows a loss of apical dominance, vasculature defects, and reduced secondary root production, several phenotypes tightly regulated by auxin. We further show that auxin transport capacities and auxin levels are perturbed in the mutant, suggesting that the NTR-glutathione pathways alter both auxin transport and metabolism. Analysis of ntr and glutathione biosynthesis mutants suggests that glutathione homeostasis plays a major role in auxin transport as both NTR and glutathione pathways are involved in auxin homeostasis.

Significance The present work extends redox-based change in enzyme activity to the TCA cycle of plant mitochondria. Thioredoxin (TRX) was found to regulate the activity of enzymes of the mitochondrial cycle (succinate dehydrogenase and fumarase) and of an enzyme associated with it (ATP-citrate lyase) by modulating thiol redox status. A combination of experiments based on mutant and carbon isotope labeling analyses provides evidence that flux through this pathway is coordinately modulated by TRX at the enzyme level of both mitochondria and cytosol. The results provide in vivo confirmation of earlier in vitro results and further show that mitochondria resemble plastids in using TRX and redox status to regulate the main carbon flux pathway of the organelle.

Abstract Seedling root traits impact plant establishment under challenging environments. Pearl millet is one of the most heat and drought tolerant cereal crops that provides a vital food source across the sub-Saharan Sahel region. Pearl millet’s early root system features a single fast-growing primary root which we hypothesize is an adaptation to the Sahelian climate. Using crop modelling, we demonstrate that early drought stress is an important constraint in agrosystems in the Sahel where pearl millet was domesticated. Furthermore, we show that increased pearl millet primary root growth is correlated with increased early water stress tolerance in field conditions. Genetics including GWAS and QTL approaches identify genomic regions controlling this key root trait. Combining gene expression data, re-sequencing and re-annotation of one of these genomic regions identified a glutaredoxin-encoding gene PgGRXC9 as the candidate stress resilience root growth regulator. Functional characterization of its closest Arabidopsis homolog AtROXY19 revealed a novel role for this glutaredoxin (GRX) gene clade in regulating cell elongation. In summary, our study suggests a conserved function for GRX genes in conferring root cell elongation and enhancing resilience of pearl millet to its Sahelian environment.

ABSTRACT Climate change induce global warming and intense heat waves that affect plant development and productivity. Among the molecular perturbations that high temperature induces in living cells is the accumulation of reactive oxygen species (ROS), which can damage macromolecules of the cell and perturb the cellular redox state. To cope with deleterious effects of ROS, plant, as other organisms, have developed strategies to scavenge ROS and to regulate their redox state. Among those, glutathione plays a major role in maintaining the cellular redox state and the function of key antioxidant enzymes like peroxidases. Here, we investigated the contribution of the redox systems in plant adaptation to high temperature. We studied two different high temperature regimes: a rise of ambient temperature to 27°C inducing a plant developmental adaptation program called thermomorphogenesis, and a 37°C treatment mimicking intense heat wave and affecting plant viability. Using the genetically encoded redox marker roGFP, we show that high temperature regimes lead to cytoplasm and nuclear oxidation and impact profoundly the glutathione pool rather than the glutathione redox state. Moreover, plant can restore the pool within a few hours, which likely contribute to plant adaptation to high temperature. However, conditional glutathione deficient mutants fail to adapt to intense heat waves or to induce thermomorphogenesis, suggesting that glutathione is involved in both heat adaptation mechanisms. We also evaluate by RNAseq analyses, how plant change its genome expression signature upon heat stress and identified a marked genome expression deviation in mutant deficient in glutathione antioxidant which might contribute to its sensitivity to high temperature. Thus, we define glutathione as a major antioxidant molecule acting in the adaptation of plant to rise of temperature.

Root system architecture results from a highly plastic developmental process to perfectly adapt to environmental conditions. In particular, the development of lateral roots (LR) and root hair (RH) growth are constantly optimized to the rhizosphere properties, including biotic and abiotic constraints. Every step of root system development is tightly controlled by auxin, the driving morphogenic hormone in plants. Glutathione, a major thiol redox regulator, is also critical for root system development but its interplay with auxin is still scarcely understood. Indeed, previous works showed that glutathione deficiency does not alter root responses to exogenous indole acetic acid (IAA), the main active auxin in plants. Because indole butyric acid (IBA), another endogenous auxinic compound, is an important source of IAA for the control of root development, we investigated the crosstalk between glutathione and IBA during root development. We show that glutathione deficiency alters LR and RH responses to exogenous IBA but not IAA. Although many efforts have been deployed, we could not identify the precise mechanism responsible for this control. However, we could show that both glutathione and IBA are required for the proper responses of RH to phosphate deprivation, suggesting an important role for this glutathione-dependent regulation of auxin pathway in plant developmental adaptation to its environment.

(1) A highly negative glutathione redox potential (EGSH) is maintained in the cytosol, plastids and mitochondria of plant cells to support fundamental processes, including antioxidant defence, redox regulation and iron-sulfur cluster biogenesis. Out of two glutathione reductase (GR) proteins in Arabidopsis, GR2 is predicted to be dual-targeted to plastids and mitochondria, but its differential roles in these organelles remain unclear. (2) We dissected the role of GR2 in organelle glutathione redox homeostasis and plant development using a combination of genetic complementation and stacked mutants, biochemical activity studies, immunogold labelling and in vivo biosensing.(3) Our data demonstrate that GR2 is dual-targeted to plastids and mitochondria, but embryo lethality of gr2 null mutants is caused specifically in plastids. Whereas lack of mitochondrial GR2 leads to a partially oxidised glutathione pool in the matrix, the ABC transporter ATM3 and the mitochondrial thioredoxin system provide functional backup and maintain plant viability. (4) We identify GR2 as essential in the plastid stroma, where it counters GSSG accumulation and developmental arrest. By contrast a functional triad of GR2, ATM3 and the thioredoxin system in the mitochondria provides resilience to excessive glutathione oxidation.

High light stress in subtropical and tropical regions strongly limits agricultural production due to photo-oxidative damage, decreased growth and yield. Here, we investigated whether beneficial microbes can protect plants under high light stress. We found that Enterobacter sp. SA187 (SA187) supports Arabidopsis thaliana growth under high light stress by reducing the accumulation of reactive oxygen species (ROS) and maintaining photosynthesis. When subjected to high light stress, SA187 triggers dynamic changes in Arabidopsis gene expression related to fortified iron metabolism and redox regulation thereby enhancing the plant anti-oxidative glutathione/glutaredoxin redox system. Genetic analysis shows that SA187-enhanced iron and sulfur metabolism are coordinated by ethylene signaling. In summary, beneficial microbes could be an effective and inexpensive means for enhancing high light stress tolerance in plants.