Lignin is the generic term for a large group of aromatic polymers resulting from the oxidative combinatorial coupling of 4-hydroxyphenylpropanoids ([Boerjan et al., 2003][1]; [Ralph et al., 2004][2]). These polymers are deposited predominantly in the walls of secondarily thickened cells, making them

The growth of perennial plants in the temperate zone alternates with periods of dormancy that are typically initiated during bud development in autumn. In a systems biology approach to unravel the underlying molecular program of apical bud development in poplar (Populus tremula x Populus alba), combined transcript and metabolite profiling were applied to a high-resolution time course from short-day induction to complete dormancy. Metabolite and gene expression dynamics were used to reconstruct the temporal sequence of events during bud development. Importantly, bud development could be dissected into bud formation, acclimation to dehydration and cold, and dormancy. To each of these processes, specific sets of regulatory and marker genes and metabolites are associated and provide a reference frame for future functional studies. Light, ethylene, and abscisic acid signal transduction pathways consecutively control bud development by setting, modifying, or terminating these processes. Ethylene signal transduction is positioned temporally between light and abscisic acid signals and is putatively activated by transiently low hexose pools. The timing and place of cell proliferation arrest (related to dormancy) and of the accumulation of storage compounds (related to acclimation processes) were established within the bud by electron microscopy. Finally, the identification of a large set of genes commonly expressed during the growth-to-dormancy transitions in poplar apical buds, cambium, or Arabidopsis thaliana seeds suggests parallels in the underlying molecular mechanisms in different plant organs.

Lignin Biosynthesis Complications Lignin is a polymer that lends its sturdy properties to wood and makes plant cell walls tougher, which creates problems for chemists converting cellulosic plant biomass into biofuels. Vanholme et al. (p. 1103 , published online 15 August; see the cover) have identified a new step in the biosynthetic pathway of lignin in Arabidopsis in which caffeoyl shikimate esterase catalyzes synthesis of caffeate. Cellulose from mutant plants, which had reduced amounts of lignin, was more efficiently processed into glucose.

Abstract Reactive oxygen species and redox signaling undergo synergistic and antagonistic interactions with phytohormones to regulate protective responses of plants against biotic and abiotic stresses. However, molecular insight into the nature of this crosstalk remains scarce. We demonstrate that the hydrogen peroxide–responsive UDP-glucosyltransferase UGT74E2 of Arabidopsis thaliana is involved in the modulation of plant architecture and water stress response through its activity toward the auxin indole-3-butyric acid (IBA). Biochemical characterization of recombinant UGT74E2 demonstrated that it strongly favors IBA as a substrate. Assessment of indole-3-acetic acid (IAA), IBA, and their conjugates in transgenic plants ectopically expressing UGT74E2 indicated that the catalytic specificity was maintained in planta. In these transgenic plants, not only were IBA-Glc concentrations increased, but also free IBA levels were elevated and the conjugated IAA pattern was modified. This perturbed IBA and IAA homeostasis was associated with architectural changes, including increased shoot branching and altered rosette shape, and resulted in significantly improved survival during drought and salt stress treatments. Hence, our results reveal that IBA and IBA-Glc are important regulators of morphological and physiological stress adaptation mechanisms and provide molecular evidence for the interplay between hydrogen peroxide and auxin homeostasis through the action of an IBA UGT.

Jasmonates (JAs) are plant-specific signaling molecules that steer a diverse set of physiological and developmental processes. Pathogen attack and wounding inflicted by herbivores induce the biosynthesis of these hormones, triggering defense responses both locally and systemically. We report on alterations in the transcriptome of a fast-dividing cell culture of the model plant Arabidopsis thaliana after exogenous application of methyl JA (MeJA). Early MeJA response genes encoded the JA biosynthesis pathway proteins and key regulators of MeJA responses, including most JA ZIM domain proteins and MYC2, together with transcriptional regulators with potential, but yet unknown, functions in MeJA signaling. In a second transcriptional wave, MeJA reprogrammed cellular metabolism and cell cycle progression. Up-regulation of the monolignol biosynthesis gene set resulted in an increased production of monolignols and oligolignols, the building blocks of lignin. Simultaneously, MeJA repressed activation of M-phase genes, arresting the cell cycle in G 2 . MeJA-responsive transcription factors were screened for their involvement in early signaling events, in particular the regulation of JA biosynthesis. Parallel screens based on yeast one-hybrid and transient transactivation assays identified both positive (MYC2 and the AP2/ERF factor ORA47) and negative (the C2H2 Zn finger proteins STZ/ZAT10 and AZF2) regulators, revealing a complex control of the JA autoregulatory loop and possibly other MeJA-mediated downstream processes.

The first enzyme of the phenylpropanoid pathway, Phe ammonia-lyase (PAL), is encoded by four genes in Arabidopsis thaliana. Whereas PAL function is well established in various plants, an insight into the functional significance of individual gene family members is lacking. We show that in the absence of clear phenotypic alterations in the Arabidopsis pal1 and pal2 single mutants and with limited phenotypic alterations in the pal1 pal2 double mutant, significant modifications occur in the transcriptome and metabolome of the pal mutants. The disruption of PAL led to transcriptomic adaptation of components of the phenylpropanoid biosynthesis, carbohydrate metabolism, and amino acid metabolism, revealing complex interactions at the level of gene expression between these pathways. Corresponding biochemical changes included a decrease in the three major flavonol glycosides, glycosylated vanillic acid, scopolin, and two novel feruloyl malates coupled to coniferyl alcohol. Moreover, Phe overaccumulated in the double mutant, and the levels of many other amino acids were significantly imbalanced. The lignin content was significantly reduced, and the syringyl/guaiacyl ratio of lignin monomers had increased. Together, from the molecular phenotype, common and specific functions of PAL1 and PAL2 are delineated, and PAL1 is qualified as being more important for the generation of phenylpropanoids.

Abstract Cinnamoyl-CoA reductase (CCR) catalyzes the penultimate step in monolignol biosynthesis. We show that downregulation of CCR in transgenic poplar (Populus tremula × Populus alba) was associated with up to 50% reduced lignin content and an orange-brown, often patchy, coloration of the outer xylem. Thioacidolysis, nuclear magnetic resonance (NMR), immunocytochemistry of lignin epitopes, and oligolignol profiling indicated that lignin was relatively more reduced in syringyl than in guaiacyl units. The cohesion of the walls was affected, particularly at sites that are generally richer in syringyl units in wild-type poplar. Ferulic acid was incorporated into the lignin via ether bonds, as evidenced independently by thioacidolysis and by NMR. A synthetic lignin incorporating ferulic acid had a red-brown coloration, suggesting that the xylem coloration was due to the presence of ferulic acid during lignification. Elevated ferulic acid levels were also observed in the form of esters. Transcript and metabolite profiling were used as comprehensive phenotyping tools to investigate how CCR downregulation impacted metabolism and the biosynthesis of other cell wall polymers. Both methods suggested reduced biosynthesis and increased breakdown or remodeling of noncellulosic cell wall polymers, which was further supported by Fourier transform infrared spectroscopy and wet chemistry analysis. The reduced levels of lignin and hemicellulose were associated with an increased proportion of cellulose. Furthermore, the transcript and metabolite profiling data pointed toward a stress response induced by the altered cell wall structure. Finally, chemical pulping of wood derived from 5-year-old, field-grown transgenic lines revealed improved pulping characteristics, but growth was affected in all transgenic lines tested.

Abstract Lignin engineering is an attractive strategy to improve lignocellulosic biomass quality for processing to biofuels and other bio-based products. However, lignin engineering also results in profound metabolic consequences in the plant. We used a systems biology approach to study the plant's response to lignin perturbations. To this end, inflorescence stems of 20 Arabidopsis thaliana mutants, each mutated in a single gene of the lignin biosynthetic pathway (phenylalanine ammonia-lyase1 [PAL1], PAL2, cinnamate 4-hydroxylase [C4H], 4-coumarate:CoA ligase1 [4CL1], 4CL2, caffeoyl-CoA O-methyltransferase1 [CCoAOMT1], cinnamoyl-CoA reductase1 [CCR1], ferulate 5-hydroxylase [F5H1], caffeic acid O-methyltransferase [COMT], and cinnamyl alcohol dehydrogenase6 [CAD6], two mutant alleles each), were analyzed by transcriptomics and metabolomics. A total of 566 compounds were detected, of which 187 could be tentatively identified based on mass spectrometry fragmentation and many were new for Arabidopsis. Up to 675 genes were differentially expressed in mutants that did not have any obvious visible phenotypes. Comparing the responses of all mutants indicated that c4h, 4cl1, ccoaomt1, and ccr1, mutants that produced less lignin, upregulated the shikimate, methyl-donor, and phenylpropanoid pathways (i.e., the pathways supplying the monolignols). By contrast, f5h1 and comt, mutants that provoked lignin compositional shifts, downregulated the very same pathways. Reductions in the flux to lignin were associated with the accumulation of various classes of 4-O- and 9-O-hexosylated phenylpropanoids. By combining metabolomic and transcriptomic data in a correlation network, system-wide consequences of the perturbations were revealed and genes with a putative role in phenolic metabolism were identified. Together, our data provide insight into lignin biosynthesis and the metabolic network it is embedded in and provide a systems view of the plant's response to pathway perturbations.

Abstract Tricin was recently discovered in lignin preparations from wheat (Triticum aestivum) straw and subsequently in all monocot samples examined. To provide proof that tricin is involved in lignification and establish the mechanism by which it incorporates into the lignin polymer, the 4′-O-β-coupling products of tricin with the monolignols (p-coumaryl, coniferyl, and sinapyl alcohols) were synthesized along with the trimer that would result from its 4′-O-β-coupling with sinapyl alcohol and then coniferyl alcohol. Tricin was also found to cross couple with monolignols to form tricin-(4′-O-β)-linked dimers in biomimetic oxidations using peroxidase/hydrogen peroxide or silver (I) oxide. Nuclear magnetic resonance characterization of gel permeation chromatography-fractionated acetylated maize (Zea mays) lignin revealed that the tricin moieties are found in even the highest molecular weight fractions, ether linked to lignin units, demonstrating that tricin is indeed incorporated into the lignin polymer. These findings suggest that tricin is fully compatible with lignification reactions, is an authentic lignin monomer, and, because it can only start a lignin chain, functions as a nucleation site for lignification in monocots. This initiation role helps resolve a long-standing dilemma that monocot lignin chains do not appear to be initiated by monolignol homodehydrodimerization as they are in dicots that have similar syringyl-guaiacyl compositions. The term flavonolignin is recommended for the racemic oligomers and polymers of monolignols that start from tricin (or incorporate other flavonoids) in the cell wall, in analogy with the existing term flavonolignan that is used for the low-molecular mass compounds composed of flavonoid and lignan moieties.

The plant hormone auxin (indole-3-acetic acid, IAA) has a crucial role in plant development. Its spatiotemporal distribution is controlled by a combination of biosynthetic, metabolic and transport mechanisms. Four families of auxin transporters have been identified that mediate transport across the plasma or endoplasmic reticulum membrane. Here we report the discovery and the functional characterization of the first vacuolar auxin transporter. We demonstrate that WALLS ARE THIN1 (WAT1), a plant-specific protein that dictates secondary cell wall thickness of wood fibres, facilitates auxin export from isolated Arabidopsis vacuoles in yeast and in Xenopus oocytes. We unambiguously identify IAA and related metabolites in isolated Arabidopsis vacuoles, suggesting a key role for the vacuole in intracellular auxin homoeostasis. Moreover, local auxin application onto wat1 mutant stems restores fibre cell wall thickness. Our study provides new insight into the complexity of auxin transport in plants and a means to dissect auxin function during fibre differentiation. The plant hormone auxin is essential for plant development and growth and is transported across cellular membranes via specialized transporter proteins. In this study, Ranocha et al. identify the first vacuolar auxin transporter, WAT1, suggesting an involvement of the vacuole in auxin signalling.