The Arabidopsis LEAFY COTYLEDON 2 ( LEC2 ) gene is a central embryonic regulator that serves critical roles both early and late during embryo development. LEC2 is required for the maintenance of suspensor morphology, specification of cotyledon identity, progression through the maturation phase, and suppression of premature germination. We cloned the LEC2 gene on the basis of its chromosomal position and showed that the predicted polypeptide contains a B3 domain, a DNA-binding motif unique to plants that is characteristic of several transcription factors. We showed that LEC2 RNA accumulates primarily during seed development, consistent with our finding that LEC2 shares greatest similarity with the B3 domain transcription factors that act primarily in developing seeds, VIVIPAROUS1/ABA INSENSITIVE3 and FUSCA3. Ectopic, postembryonic expression of LEC2 in transgenic plants induces the formation of somatic embryos and other organ-like structures and often confers embryonic characteristics to seedlings. Together, these results suggest that LEC2 is a transcriptional regulator that establishes a cellular environment sufficient to initiate embryo development.

Approximately 5% of the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) proteome is predicted to be involved in the ubiquitination/26S proteasome pathway. The majority of these predicted proteins have identity to conserved domains found in E3 ligases, of which there are multiple types. The RING-type E3 is characterized by the presence of a cysteine-rich domain that coordinates two zinc atoms. Database searches followed by extensive manual curation identified 469 predicted Arabidopsis RING domain-containing proteins. In addition to the two canonical RING types (C3H2C3 or C3HC4), additional types of modified RING domains, named RING-v, RING-D, RING-S/T, RING-G, and RING-C2, were identified. The modified RINGs differ in either the spacing between metal ligands or have substitutions at one or more of the metal ligand positions. The majority of the canonical and modified RING domain-containing proteins analyzed were active in in vitro ubiquitination assays, catalyzing polyubiquitination with the E2 AtUBC8. To help identity regions of the proteins that may interact with substrates, domain analyses of the amino acids outside the RING domain classified RING proteins into 30 different groups. Several characterized protein-protein interaction domains were identified, as well as additional conserved domains not described previously. The two largest classes of RING proteins contain either no identifiable domain or a transmembrane domain. The presence of such a large and diverse number of RING domain-containing proteins that function as ubiquitin E3 ligases suggests that target-specific proteolysis by these E3 ligases is a complex and important part of cellular regulation in Arabidopsis.

Abstract Analysis of the Arabidopsis thaliana RING-ANK (for Really Interesting New Gene-Ankyrin) family, a subgroup of RING-type E3 ligases, identified KEEP ON GOING (KEG) as essential for growth and development. In addition to the RING-HCa and ankyrin repeats, KEG contains a kinase domain and 12 HERC2-like repeats. The RING-HCa and kinase domains were functional in in vitro ubiquitylation and phosphorylation assays, respectively. Seedlings homozygous for T-DNA insertions in KEG undergo growth arrest immediately after germination, suggestive of increased abscisic acid (ABA) signaling, a major phytohormone that plays a key role in plant development and survival under unfavorable conditions. Here, we show that KEG is a negative regulator of ABA signaling. keg roots are extremely sensitive to the inhibitory effects of ABA and exhibit hypersensitivity to exogenous glucose, consistent with the known interaction between glucose and ABA signaling. The observations that KEG accumulates high levels of ABSCISIC ACID-INSENSITIVE5 (ABI5) without exogenous ABA, interacts with ABI5 in vitro, and that loss of ABI5 rescues the growth-arrest phenotype of keg mutant seedlings indicate that KEG is required for ABI5 degradation. In this capacity, KEG is central to ABA signaling by maintaining low levels of ABI5 in the absence of stress.

Abstract Attachment of ubiquitin to substrate proteins is catalyzed by the three enzymes E1, E2 (ubiquitin conjugating [UBC]), and E3 (ubiquitin ligase). Forty-one functional proteins with a UBC domain and active-site cysteine are predicted in the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) genome, which includes four that are predicted or shown to function with ubiquitin-like proteins. Only nine were previously characterized biochemically as ubiquitin E2s. We obtained soluble protein for 22 of the 28 uncharacterized UBCs after expression in Escherichia coli and demonstrated that 16 function as ubiquitin E2s. Twelve, plus three previously characterized ubiquitin E2s, were also tested for the ability to catalyze ubiquitination in vitro in the presence of one of 65 really interesting new gene (RING) E3 ligases. UBC22, UBC19-20, and UBC1-6 had variable levels of E3-independent activity. Six UBCs were inactive with all RINGs tested. Closely related UBC8, 10, 11, and 28 were active with the largest number of RING E3s and with all RING types. Expression analysis was performed to determine whether E2s or E3s were expressed in specific organs or under specific environmental conditions. Closely related E2s show unique patterns of expression and most express ubiquitously. Some RING E3s are also ubiquitously expressed; however, others show organ-specific expression. Of all the organs tested, RING mRNAs are most abundant in floral organs. This study demonstrates that E2 diversity includes examples with broad and narrow specificity toward RINGs, and that most ubiquitin E2s are broadly expressed with each having a unique spatial and developmental pattern of expression.

Abstract In the Brassicaceae, compatible pollen–pistil interactions result in pollen adhesion to the stigma, while pollen grains from unrelated plant species are largely ignored. There can also be an additional layer of recognition to prevent self-fertilization, the self-incompatibility response, whereby self pollen grains are distinguished from nonself pollen grains and rejected. This pathway is activated in the stigma and involves the ARM repeat–containing 1 (ARC1) protein, an E3 ubiquitin ligase. In a screen for ARC1-interacting proteins, we have identified Brassica napus Exo70A1, a putative component of the exocyst complex that is known to regulate polarized secretion. We show through transgenic studies that loss of Exo70A1 in Brassica and Arabidopsis thaliana stigmas leads to the rejection of compatible pollen at the same stage as the self-incompatibility response. A red fluorescent protein:Exo70A1 fusion rescues this stigmatic defect in Arabidopsis and is found to be mobilized to the plasma membrane concomitant with flowers opening. By contrast, increased expression of Exo70A1 in self-incompatible Brassica partially overcomes the self pollen rejection response. Thus, our data show that the Exo70A1 protein functions at the intersection of two cellular pathways, where it is required in the stigma for the acceptance of compatible pollen in both Brassica and Arabidopsis and is negatively regulated by Brassica self-incompatibility.

The Arabidopsis thaliana RING-type E3 ligase KEEP ON GOING (KEG) is a negative regulator of abscisic acid (ABA) signaling. Seedlings homozygous for T-DNA insertions in KEG accumulate high levels of the ABA-responsive transcription factor ABSCISIC ACID-INSENSITIVE5 (ABI5). Here, we demonstrate that KEG E3 ligase activity is required for the regulation of ABI5 abundance. KEG ubiquitinates ABI5 in vitro, and a functional KEG RING domain is required to restore the levels of ABI5 in keg-1 to that of the wild type. Overexpression of KEG leads to ABA insensitivity, which correlates with KEG protein levels. In the presence of ABA, ABI5 levels increase drastically via a decrease in ubiquitin-meditated proteasomal degradation. Our results indicate that ABA promotes ABI5 accumulation by inducing the ubiquitination and proteasomal degradation of KEG. A functional RING domain is required for the ABA-induced degradation of KEG, suggesting that the loss is due to self-ubiquitination. Mutations within KEG's kinase domain or treatments with kinase inhibitors prohibit the ABA-induced ubiquitination and degradation of KEG, indicating that phosphorylation, possibly self-phosphorylation, is involved in the ABA regulation of KEG protein levels. We discuss a model for how ABA may negatively regulate KEG protein abundance, leading to accumulation of ABI5 and ABA-dependent cellular responses.