Over 225,000 independent Agrobacterium transferred DNA (T-DNA) insertion events in the genome of the reference plant Arabidopsis thaliana have been created that represent near saturation of the gene space. The precise locations were determined for more than 88,000 T-DNA insertions, which resulted in the identification of mutations in more than 21,700 of the ∼29,454 predicted Arabidopsis genes. Genome-wide analysis of the distribution of integration events revealed the existence of a large integration site bias at both the chromosome and gene levels. Insertion mutations were identified in genes that are regulated in response to the plant hormone ethylene.

Ethylene regulates plant growth, development, and responsiveness to a variety of stresses. Cloning of the Arabidopsis EIN2 gene identifies a central component of the ethylene signaling pathway. The amino-terminal integral membrane domain of EIN2 shows similarity to the disease-related Nramp family of metal-ion transporters. Expression of the EIN2 CEND is sufficient to constitutively activate ethylene responses and restores responsiveness to jasmonic acid and paraquat-induced oxygen radicals to mutant plants. EIN2 is thus recognized as a molecular link between previously distinct hormone response pathways. Plants may use a combinatorial mechanism for assessing various stresses by enlisting a common set of signaling molecules.

Plants have evolved a tremendous ability to respond to environmental changes by adapting their growth and development. The interaction between hormonal and developmental signals is a critical mechanism in the generation of this enormous plasticity. A good example is the response to the hormone ethylene that depends on tissue type, developmental stage, and environmental conditions. By characterizing the Arabidopsis wei8 mutant, we have found that a small family of genes mediates tissue-specific responses to ethylene. Biochemical studies revealed that WEI8 encodes a long-anticipated tryptophan aminotransferase, TAA1, in the essential, yet genetically uncharacterized, indole-3-pyruvic acid (IPA) branch of the auxin biosynthetic pathway. Analysis of TAA1 and its paralogues revealed a link between local auxin production, tissue-specific ethylene effects, and organ development. Thus, the IPA route of auxin production is key to generating robust auxin gradients in response to environmental and developmental cues.

The AUXIN RESPONSE FACTOR (ARF) gene family products, together with the AUXIN/INDOLE-3-ACETIC ACID proteins, regulate auxin-mediated transcriptional activation/repression. The biological function(s) of most ARFs is poorly understood. Here, we report the identification and characterization of T-DNA insertion lines for 18 of the 23 ARF gene family members in Arabidopsis thaliana. Most of the lines fail to show an obvious growth phenotype except of the previously identified arf2/hss, arf3/ett, arf5/mp, and arf7/nph4 mutants, suggesting that there are functional redundancies among the ARF proteins. Subsequently, we generated double mutants. arf7 arf19 has a strong auxin-related phenotype not observed in the arf7 and arf19 single mutants, including severely impaired lateral root formation and abnormal gravitropism in both hypocotyl and root. Global gene expression analysis revealed that auxin-induced gene expression is severely impaired in the arf7 single and arf7 arf19 double mutants. For example, the expression of several genes, such as those encoding members of LATERAL ORGAN BOUNDARIES domain proteins and AUXIN-REGULATED GENE INVOLVED IN ORGAN SIZE, are disrupted in the double mutant. The data suggest that the ARF7 and ARF19 proteins play essential roles in auxin-mediated plant development by regulating both unique and partially overlapping sets of target genes. These observations provide molecular insight into the unique and overlapping functions of ARF gene family members in Arabidopsis.

Type III pili deliver effector proteins (virulence factors) from bacterial pathogens to host cells. Plants express disease resistance (R) proteins that respond specifically to a particular type III effector by activating immune responses. We demonstrated previously that two unrelated type III effectors from Pseudomonas syringae target and modify the Arabidopsis RIN4 protein. Here, we show that AvrRpt2, a third, unrelated type III effector, also targets RIN4 and induces its posttranscriptional disappearance. This effect is independent of the presence of RPS2, the Arabidopsis R protein that senses AvrRpt2. RIN4 overexpression inhibits multiple phenotypes associated with AvrRpt2 function. Conversely, disruption of RIN4 results in RPS2-dependent lethality. RPS2 and RIN4 physically associate in the plant. We suggest that RIN4 is the target of the AvrRpt2 virulence function, and that perturbation of RIN4 activates RPS2. Thus, RIN4 is a point of convergence for the activity of at least three unrelated P. syringae type III effectors.

Abstract The Arabidopsis thaliana genome contains five class III homeodomain-leucine zipper genes. We have isolated loss-of-function alleles for each family member for use in genetic analysis. This gene family regulates apical embryo patterning, embryonic shoot meristem formation, organ polarity, vascular development, and meristem function. Genetic analyses revealed a complex pattern of overlapping functions, some of which are not readily inferred by phylogenetic relationships or by gene expression patterns. The PHABULOSA and PHAVOLUTA genes perform overlapping functions with REVOLUTA, whereas the PHABULOSA, PHAVOLUTA, and CORONA/ATHB15 genes perform overlapping functions distinct from REVOLUTA. Furthermore, ATHB8 and CORONA encode functions that are both antagonistic to those of REVOLUTA within certain tissues and overlapping with REVOLUTA in other tissues. Differences in expression patterns explain some of these genetic interactions, whereas other interactions are likely attributable to differences in protein function as indicated by cross-complementation studies.

Type-A Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) response regulators (ARRs) are a family of 10 genes that are rapidly induced by cytokinin and are highly similar to bacterial two-component response regulators. We have isolated T-DNA insertions in six of the type-A ARRs and constructed multiple insertional mutants, including the arr3,4,5,6,8,9 hextuple mutant. Single arr mutants were indistinguishable from the wild type in various cytokinin assays; double and higher order arr mutants showed progressively increasing sensitivity to cytokinin, indicating functional overlap among type-A ARRs and that these genes act as negative regulators of cytokinin responses. The induction of cytokinin primary response genes was amplified in arr mutants, indicating that the primary response to cytokinin is affected. Spatial patterns of ARR gene expression were consistent with partially redundant function of these genes in cytokinin signaling. The arr mutants show altered red light sensitivity, suggesting a general involvement of type-A ARRs in light signal transduction. Further, morphological phenotypes of some arr mutants suggest complex regulatory interactions and gene-specific functions among family members.

Pollination in flowering plants requires that anthers release pollen when the gynoecium is competent to support fertilization. We show that in Arabidopsis thaliana, two paralogous auxin response transcription factors, ARF6 and ARF8, regulate both stamen and gynoecium maturation. arf6 arf8 double-null mutant flowers arrested as infertile closed buds with short petals, short stamen filaments, undehisced anthers that did not release pollen and immature gynoecia. Numerous developmentally regulated genes failed to be induced. ARF6 and ARF8 thus coordinate the transition from immature to mature fertile flowers. Jasmonic acid (JA) measurements and JA feeding experiments showed that decreased jasmonate production caused the block in pollen release, but not the gynoecium arrest. The double mutant had altered auxin responsive gene expression. However, whole flower auxin levels did not change during flower maturation, suggesting that auxin might regulate flower maturation only under specific environmental conditions, or in localized organs or tissues of flowers. arf6 and arf8 single mutants and sesquimutants (homozygous for one mutation and heterozygous for the other) had delayed stamen development and decreased fecundity, indicating that ARF6 and ARF8 gene dosage affects timing of flower maturation quantitatively.

Iron deficiency is a major human nutritional problem wherever plant-based diets are common. Using synchrotron x-ray fluorescence microtomography to directly visualize iron in Arabidopsis seeds, we show that iron is localized primarily to the provascular strands of the embryo. This localization is completely abolished when the vacuolar iron uptake transporter VIT1 is disrupted. Vacuolar iron storage is also critical for seedling development because vit1-1 seedlings grow poorly when iron is limiting. We have uncovered a fundamental aspect of seed biology that will ultimately aid the development of nutrient-rich seed, benefiting both human health and agricultural productivity.

The plant hormone auxin regulates many aspects of plant growth and development. Although several auxin biosynthetic pathways have been proposed, none of these pathways has been precisely defined at the molecular level. Here we provide in planta evidence that the two Arabidopsis cytochrome P450s, CYP79B2 and CYP79B3, which convert tryptophan (Trp) to indole-3-acetaldoxime (IAOx) in vitro, are critical enzymes in auxin biosynthesis in vivo. IAOx is thus implicated as an important intermediate in auxin biosynthesis. Plants overexpressing CYP79B2 contain elevated levels of free auxin and display auxin overproduction phenotypes. Conversely, cyp79B2 cyp79B3 double mutants have reduced levels of IAA and show growth defects consistent with partial auxin deficiency. Together with previous work on YUCCA, a flavin monooxygenase also implicated in IAOx production, and nitrilases that convert indole-3-acetonitrile to auxin, this work provides a framework for further dissecting auxin biosynthetic pathways and their regulation.