Summary mapman is a user‐driven tool that displays large data sets onto diagrams of metabolic pathways or other processes. SCAVENGER modules assign the measured parameters to hierarchical categories (formed ‘BINs’, ‘subBINs’). A first build of transcriptscavenger groups genes on the Arabidopsis Affymetrix 22K array into >200 hierarchical categories, providing a breakdown of central metabolism (for several pathways, down to the single enzyme level), and an overview of secondary metabolism and cellular processes. metabolitescavenger groups hundreds of metabolites into pathways or groups of structurally related compounds. An imageannotator module uses these groupings to organise and display experimental data sets onto diagrams of the users' choice. A modular structure allows users to edit existing categories, add new categories and develop SCAVENGER modules for other sorts of data. mapman is used to analyse two sets of 22K Affymetrix arrays that investigate the response of Arabidopsis rosettes to low sugar: one investigates the response to a 6‐h extension of the night, and the other compares wild‐type Columbia‐0 (Col‐0) and the starchless pgm mutant (plastid phosphoglucomutase) at the end of the night. There were qualitatively similar responses in both treatments. Many genes involved in photosynthesis, nutrient acquisition, amino acid, nucleotide, lipid and cell wall synthesis, cell wall modification, and RNA and protein synthesis were repressed. Many genes assigned to amino acid, nucleotide, lipid and cell wall breakdown were induced. Changed expression of genes for trehalose metabolism point to a role for trehalose‐6‐phosphate (Tre6P) as a starvation signal. Widespread changes in the expression of genes encoding receptor kinases, transcription factors, components of signalling pathways, proteins involved in post‐translational modification and turnover, and proteins involved in the synthesis and sensing of cytokinins, abscisic acid (ABA) and ethylene revealing large‐scale rewiring of the regulatory network is an early response to sugar depletion.

Abstract Gene transcripts with invariant abundance during development and in the face of environmental stimuli are essential reference points for accurate gene expression analyses, such as RNA gel-blot analysis or quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction (PCR). An exceptionally large set of data from Affymetrix ATH1 whole-genome GeneChip studies provided the means to identify a new generation of reference genes with very stable expression levels in the model plant species Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Hundreds of Arabidopsis genes were found that outperform traditional reference genes in terms of expression stability throughout development and under a range of environmental conditions. Most of these were expressed at much lower levels than traditional reference genes, making them very suitable for normalization of gene expression over a wide range of transcript levels. Specific and efficient primers were developed for 22 genes and tested on a diverse set of 20 cDNA samples. Quantitative reverse transcription-PCR confirmed superior expression stability and lower absolute expression levels for many of these genes, including genes encoding a protein phosphatase 2A subunit, a coatomer subunit, and an ubiquitin-conjugating enzyme. The developed PCR primers or hybridization probes for the novel reference genes will enable better normalization and quantification of transcript levels in Arabidopsis in the future.

Summary: Metabolomics, in particular gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) based metabolite profiling of biological extracts, is rapidly becoming one of the cornerstones of functional genomics and systems biology. Metabolite profiling has profound applications in discovering the mode of action of drugs or herbicides, and in unravelling the effect of altered gene expression on metabolism and organism performance in biotechnological applications. As such the technology needs to be available to many laboratories. For this, an open exchange of information is required, like that already achieved for transcript and protein data. One of the key-steps in metabolite profiling is the unambiguous identification of metabolites in highly complex metabolite preparations from biological samples. Collections of mass spectra, which comprise frequently observed metabolites of either known or unknown exact chemical structure, represent the most effective means to pool the identification efforts currently performed in many laboratories around the world. Here we present GMD, The Golm Metabolome Database, an open access metabolome database, which should enable these processes. GMD provides public access to custom mass spectral libraries, metabolite profiling experiments as well as additional information and tools, e.g. with regard to methods, spectral information or compounds. The main goal will be the representation of an exchange platform for experimental research activities and bioinformatics to develop and improve metabolomics by multidisciplinary cooperation. Availability: http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/gmd.html Contact: Steinhauser@mpimp-golm.mpg.de Supplementary information: http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/

Abstract Inorganic phosphate (Pi)-signaling pathways in plants are still largely unknown. The Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) pho2 mutant overaccumulates Pi in leaves in Pi-replete conditions. Micrografting revealed that a pho2 root genotype is sufficient to yield leaf Pi accumulation. In pho2 mutants, Pi does not repress a set of Pi starvation-induced genes, including AtIPS1, AT4, and Pi transporters Pht1;8 and Pht1;9. Map-based cloning identified PHO2 as At2g33770, an unusual E2 conjugase gene. It was recently shown that Pi deprivation induces mature microRNA (miRNA [miR399]) and that overexpression of miR399 in Pi-replete conditions represses E2 conjugase expression and leads to high leaf Pi concentrations, thus phenocopying pho2. We show here that miR399 primary transcripts are also strongly induced by low Pi and rapidly repressed after addition of Pi. PHO2 transcripts change reciprocally to miR399 transcripts in Pi-deprived plants and in miR399 overexpressers. However, responses after Pi readdition and in β-glucuronidase reporter lines suggest that PHO2 expression is also regulated by Pi in a manner unrelated to miR399-mediated transcript cleavage. Expression of miR399 was strongly reduced in Pi-deprived Arabidopsis phr1 mutants, and a subset of Pi-responsive genes repressed in Pi-deprived phr1 mutants was up-regulated in Pi-replete pho2 mutants. This places miR399 and PHO2 in a branch of the Pi-signaling network downstream of PHR1. Finally, putative PHO2 orthologs containing five miR399-binding sites in their 5′-untranslated regions were identified in other higher plants, and Pi-dependent miR399 expression was demonstrated in rice (Oryza sativa), suggesting a conserved regulatory mechanism.

Abstract. In the first part of this review, I discuss how we can predict the direct short‐term effect of enhanced CO 2 on photosynthetic rate in C 3 terrestrial plants. To do this, I consider: (1) to what extent enhanced CO 2 will stimulate or relieve demand on partial processes like carboxylation, light harvesting and electron transport, the Calvin cycle, and end‐product synthesis; and (2) the extent to which these various processes actually control the rate of photosynthesis. I conclude that control is usually shared between Rubisco (which responds sensitively to CO 2 ) and other components (which respond less sensitively), and that photosynthesis will be stimulated by 25–75% when the CO 2 concentration is doubled from 35 to 70 Pa. This is in good agreement with the published responses. In the next part of the review, I discuss the evidence that most plants undergo a gradual inhibition of photosynthesis during acclimation to enhanced CO 2 . I argue that this is related to an inadequate demand for carbohydrate in the remainder of the plant. Differences in the long‐term response to CO 2 may be explained by differences in the sink‐source status of plants, depending upon the species, the developmental stage, and the developmental conditions. In the third part of the review, I consider the biochemical mechanisms which are involved in ‘sink’ regulation of photosynthesis. Accumulating carbohydrate could lead to a direct inhibition of photosynthesis, involving mechanical damage by large starch grains or Pi‐limitation due to inhibition of sucrose synthesis. I argue that Pi is important in the short‐term regulation of partitioning to sucrose and starch, but that its contribution to ‘sink’ regulation has not yet been conclusively demonstrated. Indirect or ‘adaptive’ regulation of photosynthesis is probably more important, involving decreases in amounts of key photosynthetic enzymes, including Rubisco. This decreases the rate of photosynthesis, and potentially would allow resources (e.g. amino acids) to be remobilized from the leaves and reinvested in sink growth to readjust the sink‐source balance. In the final part of the review, I argue that similar changes of Rubisco and, possibly, other proteins are probably also involved during acclimation to high CO 2 .

AGPase, ADP glucose pyrophosphorylase GS, glutamine synthetase GOGAT, glutamate : oxoglutarate amino transferase NADP‐ICDH, NADP‐dependent isocitrate dehydrogenase NR, nitrate reductase OPPP, oxidative pentose phosphate pathway 3PGA, glycerate‐3‐phosphate PEPCase, phosphoenolpyruvate carboxylase Rubisco, ribulose‐1,5‐bisphosphate carboxylase/oxygenase SPS, sucrose phosphate‐synthase This review first summarizes the numerous studies that have described the interaction between the nitrogen supply and the response of photosynthesis, metabolism and growth to elevated [CO 2 ]. The initial stimulation of photosynthesis in elevated [CO 2 ] is often followed by a decline of photosynthesis, that is typically accompanied by a decrease of ribulose‐1,5‐bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco), an accumulation of carbohydrate especially starch, and a decrease of the nitrogen concentration in the plant. These changes are particularly marked when the nitrogen supply is low, whereas when the nitrogen supply is adequate there is no acclimation of photosynthesis, no major decrease in the internal concentration of nitrogen or the levels of nitrogen metabolites, and growth is stimulated markedly. Second, emerging evidence is discussed that signals derived from nitrate and nitrogen metabolites such as glutamine act to regulate the expression of genes involved in nitrate and ammonium uptake and assimilation, organic acid synthesis and starch accumulation, to modulate the sugar‐mediated repression of the expression of genes involved in photosynthesis, and to modulate whole plant events including shoot–root allocation, root architecture and flowering. Third, increased rates of growth in elevated [CO 2 ] will require higher rates of inorganic nitrogen uptake and assimilation. Recent evidence is discussed that an increased supply of sugars can increase the rates of nitrate and ammonium uptake and assimilation, the synthesis of organic acid acceptors, and the synthesis of amino acids. Fourth, interpretation of experiments in elevated [CO 2 ] requires that the nitrogen status of the plants is monitored. The suitability of different criteria to assess the plant nitrogen status is critically discussed. Finally the review returns to experiments with elevated [CO 2 ] and discusses the following topics: is, and if so how, are nitrate and ammonium uptake and metabolism stimulated in elevated [CO 2 ], and does the result depend on the nitrogen supply? Is acclimation of photosynthesis the result of sugar‐mediated repression of gene expression, end‐product feedback of photosynthesis, nitrogen‐induced senescence, or ontogenetic drift? Is the accumulation of starch a passive response to increased carbohydrate formation, or is it triggered by changes in the nutrient status? How do changes in sugar production and inorganic nitrogen assimilation interact in different conditions and at different stages of the life history to determine the response of whole plant growth and allocation to elevated [CO 2 ]?

Recent rapid advances in next generation RNA sequencing (RNA-Seq)-based provide researchers with unprecedentedly large data sets and open new perspectives in transcriptomics. Furthermore, RNA-Seq-based transcript profiling can be applied to non-model and newly discovered organisms because it does not require a predefined measuring platform (like e.g. microarrays). However, these novel technologies pose new challenges: the raw data need to be rigorously quality checked and filtered prior to analysis, and proper statistical methods have to be applied to extract biologically relevant information. Given the sheer volume of data, this is no trivial task and requires a combination of considerable technical resources along with bioinformatics expertise. To aid the individual researcher, we have developed RobiNA as an integrated solution that consolidates all steps of RNA-Seq-based differential gene-expression analysis in one user-friendly cross-platform application featuring a rich graphical user interface. RobiNA accepts raw FastQ files, SAM/BAM alignment files and counts tables as input. It supports quality checking, flexible filtering and statistical analysis of differential gene expression based on state-of-the art biostatistical methods developed in the R/Bioconductor projects. In-line help and a step-by-step manual guide users through the analysis. Installer packages for Mac OS X, Windows and Linux are available under the LGPL licence from http://mapman.gabipd.org/web/guest/robin.

Abstract The diurnal cycle strongly influences many plant metabolic and physiological processes. Arabidopsis thaliana rosettes were harvested six times during 12-h-light/12-h-dark treatments to investigate changes in gene expression using ATH1 arrays. Diagnostic gene sets were identified from published or in-house expression profiles of the response to light, sugar, nitrogen, and water deficit in seedlings and 4 h of darkness or illumination at ambient or compensation point [CO2]. Many sugar-responsive genes showed large diurnal expression changes, whose timing matched that of the diurnal changes of sugars. A set of circadian-regulated genes also showed large diurnal changes in expression. Comparison of published results from a free-running cycle with the diurnal changes in Columbia-0 (Col-0) and the starchless phosphoglucomutase (pgm) mutant indicated that sugars modify the expression of up to half of the clock-regulated genes. Principle component analysis identified genes that make large contributions to diurnal changes and confirmed that sugar and circadian regulation are the major inputs in Col-0 but that sugars dominate the response in pgm. Most of the changes in pgm are triggered by low sugar levels during the night rather than high levels in the light, highlighting the importance of responses to low sugar in diurnal gene regulation. We identified a set of candidate regulatory genes that show robust responses to alterations in sugar levels and change markedly during the diurnal cycle.

Summary To overcome the detection limits inherent to DNA array-based methods of transcriptome analysis, we developed a real-time reverse transcription (RT)-PCR-based resource for quantitative measurement of transcripts for 1465 Arabidopsis transcription factors (TFs). Using closely spaced gene-specific primer pairs and SYBR Green to monitor amplification of double-stranded DNA (dsDNA), transcript levels of 83% of all target genes could be measured in roots or shoots of young Arabidopsis wild-type plants. Only 4% of reactions produced non-specific PCR products. The amplification efficiency of each PCR was determined from the log slope of SYBR Green fluorescence versus cycle number in the exponential phase, and was used to correct the readout for each primer pair and run. Measurements of transcript abundance were quantitative over six orders of magnitude, with a detection limit equivalent to one transcript molecule in 1000 cells. Transcript levels for different TF genes ranged between 0.001 and 100 copies per cell. Only 13% of TF transcripts were undetectable in these organs. For comparison, 22K Arabidopsis Affymetrix chips detected less than 55% of TF transcripts in the same samples, the range of transcript levels was compressed by a factor more than 100, and the data were less accurate especially in the lower part of the response range. Real-time RT-PCR revealed 35 root-specific and 52 shoot-specific TF genes, most of which have not been identified as organ-specific previously. Finally, many of the TF transcripts detected by RT-PCR are not represented in Arabidopsis EST (expressed sequence tag) or Massively Parallel Signature Sequencing (MPSS) databases. These genes can now be annotated as expressed.

Sweet Enough to Flower In making the developmental switch from vegetative growth to flowering, plants integrate diverse information, including photoperiod, hormone signals, and carbohydrate status. Wahl et al. (p. 704 ; see the Perspective by Danielson and Frommer ) analyzed the physiology of the signaling sugar trehalose-6-phosphate (T6P) in Arabidopsis . Quantities of T6P cycle in daily rhythms that peak toward the end of the day. T6P levels in the shoot apical meristem mirrored sucrose levels. Disruption of T6P production also disrupted expression of the FLOWERING LOCUS T gene, which responds in leaves to day length and generates signals that direct the meristem to initiate flowering programs. T6P production also affected the signaling pathway that links the age of the plant to flowering. By incorporating requirements for T6P signaling in the flowering induction pathways, the plant ensures that adequate carbohydrate reserves have been accumulated. Thus, T6P regulates the shift to flowering by linking carbohydrate status to day length in the leaves and to developmental age in the shoot apical meristem.