In 2008, we published the first set of guidelines for standardizing research in autophagy. Since then, this topic has received increasing attention, and many scientists have entered the field. Our knowledge base and relevant new technologies have also been expanding. Thus, it is important to formulate on a regular basis updated guidelines for monitoring autophagy in different organisms. Despite numerous reviews, there continues to be confusion regarding acceptable methods to evaluate autophagy, especially in multicellular eukaryotes. Here, we present a set of guidelines for investigators to select and interpret methods to examine autophagy and related processes, and for reviewers to provide realistic and reasonable critiques of reports that are focused on these processes. These guidelines are not meant to be a dogmatic set of rules, because the appropriateness of any assay largely depends on the question being asked and the system being used. Moreover, no individual assay is perfect for every situation, calling for the use of multiple techniques to properly monitor autophagy in each experimental setting. Finally, several core components of the autophagy machinery have been implicated in distinct autophagic processes (canonical and noncanonical autophagy), implying that genetic approaches to block autophagy should rely on targeting two or more autophagy-related genes that ideally participate in distinct steps of the pathway. Along similar lines, because multiple proteins involved in autophagy also regulate other cellular pathways including apoptosis, not all of them can be used as a specific marker for

Abstract The role of nitrogen metabolism in the survival of prolonged periods of waterlogging was investigated in highly flood-tolerant, nodulated Lotus japonicus plants. Alanine production revealed to be a critical hypoxic pathway. Alanine is the only amino acid whose biosynthesis is not inhibited by nitrogen deficiency resulting from RNA interference silencing of nodular leghemoglobin. The metabolic changes that were induced following waterlogging can be best explained by the activation of alanine metabolism in combination with the modular operation of a split tricarboxylic acid pathway. The sum result of this metabolic scenario is the accumulation of alanine and succinate and the production of extra ATP under hypoxia. The importance of alanine metabolism is discussed with respect to its ability to regulate the level of pyruvate, and this and all other changes are discussed in the context of current models concerning the regulation of plant metabolism.

Plant responses to abiotic stress include various modifications in amino acid metabolism. By using a hydroponic culture system, we systematically investigate modification in amino acid profiles and the proteome of Arabidopsis thaliana leaves during initial recovery from low water potential or high salinity. Both treatments elicited oxidative stress leading to a biphasic stress response during recovery. Degradation of highly abundant proteins such as subunits of photosystems and ribosomes contributed to an accumulation of free amino acids. Catabolic pathways for several low abundant amino acids were induced indicating their usage as an alternative respiratory substrate to compensate for the decreased photosynthesis. Our results demonstrate that rapid detoxification of potentially detrimental amino acids such as Lys is a priority during the initial stress recovery period. The content of Pro, which acts as a compatible osmolyte during stress, was adjusted by balancing its synthesis and catabolism both of which were induced both during and after stress treatments. The production of amino acid derived secondary metabolites was up-regulated specifically during the recovery period, and our dataset also indicates increased synthesis rates of the precursor amino acids. Overall, our results support a tight relationship between amino acid metabolism and stress responses.

Abstract The process of dark-induced senescence in plants is relatively poorly understood, but a functional electron-transfer flavoprotein/electron-transfer flavoprotein:ubiquinone oxidoreductase (ETF/ETFQO) complex, which supports respiration during carbon starvation, has recently been identified. Here, we studied the responses of Arabidopsis thaliana mutants deficient in the expression of isovaleryl-CoA dehydrogenase and 2-hydroxyglutarate dehydrogenase to extended darkness and other environmental stresses. Evaluations of the mutant phenotypes following carbon starvation induced by extended darkness identify similarities to those exhibited by mutants of the ETF/ETFQO complex. Metabolic profiling and isotope tracer experimentation revealed that isovaleryl-CoA dehydrogenase is involved in degradation of the branched-chain amino acids, phytol, and Lys, while 2-hydroxyglutarate dehydrogenase is involved exclusively in Lys degradation. These results suggest that isovaleryl-CoA dehydrogenase is the more critical for alternative respiration and that a series of enzymes, including 2-hydroxyglutarate dehydrogenase, plays a role in Lys degradation. Both physiological and metabolic phenotypes of the isovaleryl-CoA dehydrogenase and 2-hydroxyglutarate dehydrogenase mutants were not as severe as those observed for mutants of the ETF/ETFQO complex, indicating some functional redundancy of the enzymes within the process. Our results aid in the elucidation of the pathway of plant Lys catabolism and demonstrate that both isovaleryl-CoA dehydrogenase and 2-hydroxyglutarate dehydrogenase act as electron donors to the ubiquinol pool via an ETF/ETFQO-mediated route.

Summary Silicon (Si) is not considered to be an essential element for higher plants and is believed to have no effect on primary metabolism in unstressed plants. In rice ( O ryza sativa ), Si nutrition improves grain production; however, no attempt has been made to elucidate the physiological mechanisms underlying such responses. Here, we assessed crop yield and combined advanced gas exchange analysis with carbon isotope labelling and metabolic profiling to measure the effects of Si nutrition on rice photosynthesis, together with the associated metabolic changes, by comparing wild‐type rice with the low‐Si rice mutant lsi1 under unstressed conditions. Si improved the harvest index, paralleling an increase in nitrogen use efficiency. Higher crop yields associated with Si nutrition exerted a feed‐forward effect on photosynthesis which was fundamentally associated with increased mesophyll conductance. By contrast, Si nutrition did not affect photosynthetic gas exchange during the vegetative growth phase or in de‐grained plants. In addition, Si nutrition altered primary metabolism by stimulating amino acid remobilization. Our results indicate a stimulation of the source capacity, coupled with increased sink demand, in Si‐treated plants; therefore, we identify Si nutrition as an important target in attempts to improve the agronomic yield of rice.

Abstract Despite the fact that the organic acid content of a fruit is regarded as one of its most commercially important quality traits when assessed by the consumer, relatively little is known concerning the physiological importance of organic acid metabolism for the fruit itself. Here, we evaluate the effect of modifying malate metabolism in a fruit-specific manner, by reduction of the activities of either mitochondrial malate dehydrogenase or fumarase, via targeted antisense approaches in tomato (Solanum lycopersicum). While these genetic perturbations had relatively little effect on the total fruit yield, they had dramatic consequences for fruit metabolism, as well as unanticipated changes in postharvest shelf life and susceptibility to bacterial infection. Detailed characterization suggested that the rate of ripening was essentially unaltered but that lines containing higher malate were characterized by lower levels of transitory starch and a lower soluble sugars content at harvest, whereas those with lower malate contained higher levels of these carbohydrates. Analysis of the activation state of ADP-glucose pyrophosphorylase revealed that it correlated with the accumulation of transitory starch. Taken together with the altered activation state of the plastidial malate dehydrogenase and the modified pigment biosynthesis of the transgenic lines, these results suggest that the phenotypes are due to an altered cellular redox status. The combined data reveal the importance of malate metabolism in tomato fruit metabolism and development and confirm the importance of transitory starch in the determination of agronomic yield in this species.

Abstract Transgenic tomato (Solanum lycopersicum) plants expressing a fragment of the Sl SDH2-2 gene encoding the iron sulfur subunit of the succinate dehydrogenase protein complex in the antisense orientation under the control of the 35S promoter exhibit an enhanced rate of photosynthesis. The rate of the tricarboxylic acid (TCA) cycle was reduced in these transformants, and there were changes in the levels of metabolites associated with the TCA cycle. Furthermore, in comparison to wild-type plants, carbon dioxide assimilation was enhanced by up to 25% in the transgenic plants under ambient conditions, and mature plants were characterized by an increased biomass. Analysis of additional photosynthetic parameters revealed that the rate of transpiration and stomatal conductance were markedly elevated in the transgenic plants. The transformants displayed a strongly enhanced assimilation rate under both ambient and suboptimal environmental conditions, as well as an elevated maximal stomatal aperture. By contrast, when the Sl SDH2-2 gene was repressed by antisense RNA in a guard cell–specific manner, changes in neither stomatal aperture nor photosynthesis were observed. The data obtained are discussed in the context of the role of TCA cycle intermediates both generally with respect to photosynthetic metabolism and specifically with respect to their role in the regulation of stomatal aperture.

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.

Much attention has been given to the enhancement of photosynthesis as a strategy for the optimization of crop productivity. As traditional plant breeding is most likely reaching a plateau, there is a timely need to accelerate improvements in photosynthetic efficiency by means of novel tools and biotechnological solutions. The emerging field of synthetic biology offers the potential for building completely novel pathways in predictable directions and, thus, addresses the global requirements for higher yields expected to occur in the 21st century. Here, we discuss recent advances and current challenges of engineering improved photosynthesis in the era of synthetic biology toward optimized utilization of solar energy and carbon sources to optimize the production of food, fiber, and fuel.

Abstract Aluminium is a limiting factor for crop productivity in acidic soils (pH ≤ 5.5). Since acid soil distribution on Earth cannot adequately explain the differential Al tolerance across the plant kingdom, we investigated photoperiod effects on plant Al tolerance. We observed that with increasing distance from the equator, Al tolerance disappears, suggesting a relationship with the photoperiod. Long-day (LD) species are generally more Al-sensitive than short-day (SD) species, whereas genetic conversion of tomato for SD growth boosts Al tolerance. Reduced Al tolerance correlates with DNA-checkpoint activation under LD. DNA-checkpoint-related genes are under positive selection in Arabidopsis accessions from regions with shorter days, suggesting photoperiod acts as a selective barrier for Al tolerance. Our findings revealed that diel regulation and genetic diversity affect Al tolerance, suggesting that day-length orchestrates Al tolerance. One-Sentence Summary Aluminum is a major constraint for crop yield worldwide. We reveal that photoperiod acts as a barrier for Al tolerance in plants.