Compartmentation of the eukaryotic cell requires a complex set of subcellular messages, including multiple retrograde signals from the chloroplast and mitochondria to the nucleus, to regulate gene expression. Here, we propose that one such signal is a phosphonucleotide (3'-phosphoadenosine 5'-phosphate [PAP]), which accumulates in Arabidopsis thaliana in response to drought and high light (HL) stress and that the enzyme SAL1 regulates its levels by dephosphorylating PAP to AMP. SAL1 accumulates in chloroplasts and mitochondria but not in the cytosol. sal1 mutants accumulate 20-fold more PAP without a marked change in inositol phosphate levels, demonstrating that PAP is a primary in vivo substrate. Significantly, transgenic targeting of SAL1 to either the nucleus or chloroplast of sal1 mutants lowers the total PAP levels and expression of the HL-inducible ASCORBATE PEROXIDASE2 gene. This indicates that PAP must be able to move between cellular compartments. The mode of action for PAP could be inhibition of 5' to 3' exoribonucleases (XRNs), as SAL1 and the nuclear XRNs modulate the expression of a similar subset of HL and drought-inducible genes, sal1 mutants accumulate XRN substrates, and PAP can inhibit yeast (Saccharomyces cerevisiae) XRNs. We propose a SAL1-PAP retrograde pathway that can alter nuclear gene expression during HL and drought stress.

Treatment of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) alternative oxidase1a (aox1a) mutant plants with moderate light under drought conditions resulted in a phenotypic difference compared with ecotype Columbia (Col-0), as evidenced by a 10-fold increase in the accumulation of anthocyanins in leaves, alterations in photosynthetic efficiency, and increased superoxide radical and reduced root growth at the early stages of seedling growth. Analysis of metabolite profiles revealed significant changes upon treatment in aox1a plants typical of combined stress treatments, and these were less pronounced or absent in Col-0 plants. These changes were accompanied by alteration in the abundance of a variety of transcripts during the stress treatment, providing a molecular fingerprint for the stress-induced phenotype of aox1a plants. Transcripts encoding proteins involved in the synthesis of anthocyanins, transcription factors, chloroplastic and mitochondrial components, cell wall synthesis, and sucrose and starch metabolism changed, indicating that effects were not confined to mitochondria, where the AOX1a protein is located. Microarray and quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction analysis revealed that transcripts typically induced upon stress treatment or involved in antioxidant defense systems, especially chloroplast-located antioxidant defense components, had altered basal levels in untreated aox1a plants, suggesting a significant change in the basal equilibrium of signaling pathways that regulate these components. Taken together, these results indicate that aox1a plants have a greatly altered stress response even when mitochondria or the mitochondrial electron transport chain are not the primary target of the stress and that AOX1a plays a broad role in determining the normal redox balance in the cell.

Abstract Plants require daily coordinated regulation of energy metabolism for optimal growth and survival and therefore need to integrate cellular responses with both mitochondrial and plastid retrograde signaling. Using a forward genetic screen to characterize regulators of alternative oxidase1a (rao) mutants, we identified RAO2/Arabidopsis NAC domain-containing protein17 (ANAC017) as a direct positive regulator of AOX1a. RAO2/ANAC017 is targeted to connections and junctions in the endoplasmic reticulum (ER) and F-actin via a C-terminal transmembrane (TM) domain. A consensus rhomboid protease cleavage site is present in ANAC017 just prior to the predicted TM domain. Furthermore, addition of the rhomboid protease inhibitor N-p-Tosyl-l-Phe chloromethyl abolishes the induction of AOX1a upon antimycin A treatment. Simultaneous fluorescent tagging of ANAC017 with N-terminal red fluorescent protein (RFP) and C-terminal green fluorescent protein (GFP) revealed that the N-terminal RFP domain migrated into the nucleus, while the C-terminal GFP tag remained in the ER. Genome-wide analysis of the transcriptional network regulated by RAO2/ANAC017 under stress treatment revealed that RAO2/ANAC017 function was necessary for >85% of the changes observed as a primary response to cytosolic hydrogen peroxide (H2O2), but only ∼33% of transcriptional changes observed in response to antimycin A treatment. Plants with mutated rao2/anac017 were more stress sensitive, whereas a gain-of-function mutation resulted in plants that had lower cellular levels of H2O2 under untreated conditions.

Abstract The antagonistic interaction between iron (Fe) and phosphorus (P) has been noted in the area of plant nutrition. To understand the physiology and molecular mechanisms of this interaction, we studied the growth performance, nutrient concentration, and gene expression profiles of root and shoot segments derived from 10-d-old rice (Oryza sativa) seedlings under four different nutrient conditions: (1) full strength of Fe and P (+Fe+P); (2) full strength of P and no Fe (−Fe+P); (3) full strength of Fe and no P (+Fe−P); and (4) without both Fe and P (−Fe−P). While removal of Fe in the growth medium resulted in very low shoot and root Fe concentrations, the chlorotic symptoms and retarded seedling growth were only observed on seedlings grown in the presence of P. Microarray data showed that in roots, 7,628 transcripts were significantly changed in abundance in the absence of Fe alone. Interestingly, many of these changes were reversed if P was also absent (−Fe−P), with only approximately 15% overlapping with –Fe alone (–Fe+P). Analysis of the soluble Fe concentration in rice seedling shoots showed that P deficiency resulted in significantly increased Fe availability within the plants. The soluble Fe concentration under –Fe–P conditions was similar to that under +Fe+P conditions. These results provide evidence that the presence of P can affect Fe availability and in turn can influence the regulation of Fe-responsive genes.