Abstract We investigated the physiological function of three Arabidopsis thaliana homologs of the gibberellin (GA) receptor GIBBERELLIN-INSENSITIVE DWARF1 (GID1) by determining the developmental consequences of GID1 inactivation in insertion mutants. Although single mutants developed normally, gid1a gid1c and gid1a gid1b displayed reduced stem height and lower male fertility, respectively, indicating some functional specificity. The triple mutant displayed a dwarf phenotype more severe than that of the extreme GA-deficient mutant ga1-3. Flower formation occurred in long days but was delayed, with severe defects in floral organ development. The triple mutant did not respond to applied GA. All three GID1 homologs were expressed in most tissues throughout development but differed in expression level. GA treatment reduced transcript abundance for all three GID1 genes, suggesting feedback regulation. The DELLA protein REPRESSOR OF ga1-3 (RGA) accumulated in the triple mutant, whose phenotype could be partially rescued by loss of RGA function. Yeast two-hybrid and in vitro pull-down assays confirmed that GA enhances the interaction between GID1 and DELLA proteins. In addition, the N-terminal sequence containing the DELLA domain is necessary for GID1 binding. Furthermore, yeast three-hybrid assays showed that the GA-GID1 complex promotes the interaction between RGA and the F-box protein SLY1, a component of the SCFSLY1 E3 ubiquitin ligase that targets the DELLA protein for degradation.

Abstract Trehalose-6-phosphate (T6P) is a proposed signaling molecule in plants, yet how it signals was not clear. Here, we provide evidence that T6P functions as an inhibitor of SNF1-related protein kinase1 (SnRK1; AKIN10/AKIN11) of the SNF1-related group of protein kinases. T6P, but not other sugars and sugar phosphates, inhibited SnRK1 in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) seedling extracts strongly (50%) at low concentrations (1–20 μ m). Inhibition was noncompetitive with respect to ATP. In immunoprecipitation studies using antibodies to AKIN10 and AKIN11, SnRK1 catalytic activity and T6P inhibition were physically separable, with T6P inhibition of SnRK1 dependent on an intermediary factor. In subsequent analysis, T6P inhibited SnRK1 in extracts of all tissues analyzed except those of mature leaves, which did not contain the intermediary factor. To assess the impact of T6P inhibition of SnRK1 in vivo, gene expression was determined in seedlings expressing Escherichia coli otsA encoding T6P synthase to elevate T6P or otsB encoding T6P phosphatase to decrease T6P. SnRK1 target genes showed opposite regulation, consistent with the regulation of SnRK1 by T6P in vivo. Analysis of microarray data showed up-regulation by T6P of genes involved in biosynthetic reactions, such as genes for amino acid, protein, and nucleotide synthesis, the tricarboxylic acid cycle, and mitochondrial electron transport, which are normally down-regulated by SnRK1. In contrast, genes involved in photosynthesis and degradation processes, which are normally up-regulated by SnRK1, were down-regulated by T6P. These experiments provide strong evidence that T6P inhibits SnRK1 to activate biosynthetic processes in growing tissues.

The activity of the gibberellin (GA) biosynthetic enzymes GA 20-oxidases (GA20ox) is of particular importance in determining GA concentration in many plant species. In Arabidopsis these enzymes are encoded by a family of five genes: AtGA20ox1-AtGA20ox5. Transcript analysis indicated that they have different expression patterns and may thus participate differentially in GA-regulated developmental processes. We have used reverse genetics to determine the physiological roles of AtGA20ox1 and AtGA20ox2, the most highly expressed GA20ox genes during vegetative and early reproductive development. AtGA20ox1 and AtGA20ox2 act redundantly to promote hypocotyl and internode elongation, flowering time, elongation of anther filaments, the number of seeds that develop per silique and elongation of siliques, with AtGA20ox1 making the greater contribution to internode and filament elongation, and AtGA20ox2 making the greater contribution to flowering time and silique length. Pollination of the double mutant with wild-type pollen indicated that the GA promoting silique elongation is of maternal origin. The ga20ox2 phenotype revealed that GA promotes the number of stem internodes that elongate upon bolting, and does so independently of its effect on internode elongation. Comparison of the phenotype of the double mutant with that of the highly GA-deficient ga1-3 mutant indicates that other GA20ox genes contribute to all the developmental processes examined, and, in some cases such as root growth and leaf expansion, make major contributions, as these processes were unaffected in the double mutant. In addition, the effects of the mutations are mitigated by the homeostatic mechanism that acts on expression of other GA dioxygenase and GID1 receptor genes.

Bioactive hormone concentrations are regulated both at the level of hormone synthesis and through controlled inactivation. Based on the ubiquitous presence of 2beta-hydroxylated gibberellins (GAs), a major inactivating pathway for the plant hormone GA seems to be via GA 2-oxidation. In this study, we used various approaches to determine the role of C(19)-GA 2-oxidation in regulating GA concentration and GA-responsive plant growth and development. We show that Arabidopsis thaliana has five C(19)-GA 2-oxidases, transcripts for one or more of which are present in all organs and at all stages of development examined. Expression of four of the five genes is subject to feed-forward regulation. By knocking out all five Arabidopsis C(19)-GA 2-oxidases, we show that C(19)-GA 2-oxidation limits bioactive GA content and regulates plant development at various stages during the plant life cycle: C(19)-GA 2-oxidases prevent seed germination in the absence of light and cold stimuli, delay the vegetative and floral phase transitions, limit the number of flowers produced per inflorescence, and suppress elongation of the pistil prior to fertilization. Under GA-limited conditions, further roles are revealed, such as limiting elongation of the main stem and side shoots. We conclude that C(19)-GA 2-oxidation is a major GA inactivation pathway regulating development in Arabidopsis.

DOI: 10.1111/j.1469-8137.2009.03108.x Commentary p 3

Abstract The hemibiotrophic fungus Zymoseptoria tritici causes Septoria tritici blotch disease of wheat (Triticum aestivum). Pathogen reproduction on wheat occurs without cell penetration, suggesting that dynamic and intimate intercellular communication occurs between fungus and plant throughout the disease cycle. We used deep RNA sequencing and metabolomics to investigate the physiology of plant and pathogen throughout an asexual reproductive cycle of Z. tritici on wheat leaves. Over 3,000 pathogen genes, more than 7,000 wheat genes, and more than 300 metabolites were differentially regulated. Intriguingly, individual fungal chromosomes contributed unequally to the overall gene expression changes. Early transcriptional down-regulation of putative host defense genes was detected in inoculated leaves. There was little evidence for fungal nutrient acquisition from the plant throughout symptomless colonization by Z. tritici, which may instead be utilizing lipid and fatty acid stores for growth. However, the fungus then subsequently manipulated specific plant carbohydrates, including fructan metabolites, during the switch to necrotrophic growth and reproduction. This switch coincided with increased expression of jasmonic acid biosynthesis genes and large-scale activation of other plant defense responses. Fungal genes encoding putative secondary metabolite clusters and secreted effector proteins were identified with distinct infection phase-specific expression patterns, although functional analysis suggested that many have overlapping/redundant functions in virulence. The pathogenic lifestyle of Z. tritici on wheat revealed through this study, involving initial defense suppression by a slow-growing extracellular and nutritionally limited pathogen followed by defense (hyper) activation during reproduction, reveals a subtle modification of the conceptual definition of hemibiotrophic plant infection.