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.

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.

The presence of microRNA species in plant phloem sap suggests potential signaling roles by long-distance regulation of gene expression. Proof for such a role for a phloem-mobile microRNA is lacking. Here we show that phosphate (Pi) starvation-induced microRNA399 (miR399) is present in the phloem sap of two diverse plant species, rapeseed and pumpkin, and levels are strongly and specifically increased in phloem sap during Pi deprivation. By performing micro-grafting experiments using Arabidopsis, we further show that chimeric plants constitutively over-expressing miR399 in the shoot accumulate mature miR399 species to very high levels in their wild-type roots, while corresponding primary transcripts are virtually absent in roots, demonstrating shoot-to-root transport. The chimeric plants exhibit (i) down-regulation of the miR399 target transcript (PHO2), which encodes a critical component for maintenance of Pi homeostasis, in the wild-type root, and (ii) Pi accumulation in the shoot, which is the phenotype of pho2 mutants, miR399 over-expressers or chimeric plants with a genetic knock-out of PHO2 in the root. Hence the transported miR399 molecules retain biological activity. This is a demonstration of systemic control of a biological process, i.e. maintenance of plant Pi homeostasis, by a phloem-mobile microRNA.

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.

Nia30(145) transformants with very low nitrate reductase activity provide an in vivo screen to identify processes that are regulated by nitrate. Nia30(145) resembles nitrate-limited wild-type plants with respect to growth rate and protein and amino acid content but accumulates large amounts of nitrate when it is grown on high nitrate. The transcripts for nitrate reductase (NR), nitrite reductase, cytosolic glutamine synthetase, and glutamate synthase increased; NR and nitrite reductase activity increased in leaves and roots; and glutamine synthetase activity increased in roots. The transcripts for phosphoenolpyruvate carboxylase, cytosolic pyruvate kinase, citrate synthase, and NADP-isocitrate dehydrogenase increased; phosphoenolpyruvate carboxylase activity increased; and malate, citrate, isocitrate, and [alpha]-oxoglutarate accumulated in leaves and roots. There was a decrease of the ADP-glucose pyrophosphorylase transcript and activity, and starch decreased in the leaves and roots. After adding 12 mM nitrate to nitrate-limited Nia30(145), the transcripts for NR and phosphoenolpyruvate carboxylase increased, and the transcripts for ADP-glucose pyrophosphorylase decreased within 2 and 4 hr, respectively. Starch was remobilized at almost the same rate as in wild-type plants, even though growth was not stimulated in Nia30(145). It is proposed that nitrate acts as a signal to initiate coordinated changes in carbon and nitrogen metabolism.

Abstract To identify transcription factors (TFs) involved in jasmonate (JA) signaling and plant defense, we screened 1,534 Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) TFs by real-time quantitative reverse transcription-PCR for their altered transcript at 6 h following either methyl JA treatment or inoculation with the incompatible pathogen Alternaria brassicicola. We identified 134 TFs that showed a significant change in expression, including many APETALA2/ethylene response factor (AP2/ERF), MYB, WRKY, and NAC TF genes with unknown functions. Twenty TF genes were induced by both the pathogen and methyl JA and these included 10 members of the AP2/ERF TF family, primarily from the B1a and B3 subclusters. Functional analysis of the B1a TF AtERF4 revealed that AtERF4 acts as a novel negative regulator of JA-responsive defense gene expression and resistance to the necrotrophic fungal pathogen Fusarium oxysporum and antagonizes JA inhibition of root elongation. In contrast, functional analysis of the B3 TF AtERF2 showed that AtERF2 is a positive regulator of JA-responsive defense genes and resistance to F. oxysporum and enhances JA inhibition of root elongation. Our results suggest that plants coordinately express multiple repressor- and activator-type AP2/ERFs during pathogen challenge to modulate defense gene expression and disease resistance.

Tre6P (trehalose 6-phosphate) is implicated in sugar-signalling pathways in plants, but its exact functions in vivo are uncertain. One of the main obstacles to discovering these functions is the difficulty of measuring the amount of Tre6P in plant tissues. We have developed a highly specific assay, using liquid chromatography coupled to MS-Q3 (triple quadrupole MS), to measure Tre6P in the femto-picomole range. The Tre6P content of sucrose-starved Arabidopsis thaliana seedlings in axenic culture increased from 18 to 482 pmol·g−1FW (fresh weight) after adding sucrose. Leaves from soil-grown plants contained 67 pmol·g−1FW at the end of the night, which rose to 108 pmol·g−1FW after 4 h of illumination. Even greater changes in Tre6P content were seen after a 6 h extension of the dark period, and in the starchless mutant, pgm. The intracellular concentration of Tre6P in wild-type leaves was estimated to range from 1 to 15 μM. It has recently been reported that the addition of Tre6P to isolated chloroplasts leads to redox activation of AGPase (ADPglucose pyrophosphorylase) [Kolbe, Tiessen, Schluepmann, Paul, Ulrich and Geigenberger (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 11118–11123]. Using the new assay for Tre6P, we found that rising sugar levels in plants are accompanied by increases in the level of Tre6P, redox activation of AGPase and the stimulation of starch synthesis in vivo. These results indicate that Tre6P acts as a signalling metabolite of sugar status in plants, and support the proposal that Tre6P mediates sucrose-induced changes in the rate of starch synthesis.

Affymetrix ATH1 arrays, large-scale real-time reverse transcription PCR of approximately 2200 transcription factor genes and other gene families, and analyses of metabolites and enzyme activities were used to investigate the response of Arabidopsis to phosphate (Pi) deprivation and re-supply. Transcript data were analysed with MapMan software to identify coordinated, system-wide changes in metabolism and other cellular processes. Phosphorus (P) deprivation led to induction or repression of > 1000 genes involved in many processes. A subset, including the induction of genes involved in P uptake, the mobilization of organic Pi, the conversion of phosphorylated glycolytic intermediates to carbohydrates and organic acids, the replacement of P-containing phospholipids with galactolipids and the repression of genes involved in nucleotide/nucleic acid synthesis, was reversed within 3 h after Pi re-supply. Analyses of 22 enzyme activities revealed that changes in transcript levels often, but not always, led to changes in the activities of the encoded enzymes in P-deprived plants. Analyses of metabolites confirmed that P deprivation leads to a shift towards the accumulation of carbohydrates, organic acids and amino acids, and that Pi re-supply leads to use of the latter. P-deprived plants also showed large changes in the expression of many genes involved in, for example, secondary metabolism and photosynthesis. These changes were not reversed rapidly upon Pi re-supply and were probably secondary in origin. Differentially expressed and highly P-specific putative regulator genes were identified that presumably play central roles in coordinating the complex responses of plants to changes in P nutrition. The specific responses to Pi differ markedly from those found for nitrate, whereas the long-term responses during P and N deprivation share common and non-specific features.

Abstract Nitrogen (N) and nitrate (NO3 −) per se regulate many aspects of plant metabolism, growth, and development. N/NO3 − also suppresses parts of secondary metabolism, including anthocyanin synthesis. Molecular components for this repression are unknown. We report that three N/NO3 −-induced members of the LATERAL ORGAN BOUNDARY DOMAIN (LBD) gene family of transcription factors (LBD37, LBD38, and LBD39) act as negative regulators of anthocyanin biosynthesis in Arabidopsis thaliana. Overexpression of each of the three genes in the absence of N/NO3 − strongly suppresses the key regulators of anthocyanin synthesis PAP1 and PAP2, genes in the anthocyanin-specific part of flavonoid synthesis, as well as cyanidin- but not quercetin- or kaempferol-glycoside production. Conversely, lbd37, lbd38, or lbd39 mutants accumulate anthocyanins when grown in N/NO3 −-sufficient conditions and show constitutive expression of anthocyanin biosynthetic genes. The LBD genes also repress many other known N-responsive genes, including key genes required for NO3 − uptake and assimilation, resulting in altered NO3 − content, nitrate reductase activity/activation, protein, amino acid, and starch levels, and N-related growth phenotypes. The results identify LBD37 and its two close homologs as novel repressors of anthocyanin biosynthesis and N availability signals in general. They also show that, besides being developmental regulators, LBD genes fulfill roles in metabolic regulation.