Abstract Suberin and cutin are fatty acid– and glycerol-based plant polymers that act as pathogen barriers and function in the control of water and solute transport. However, despite important physiological roles, their biosynthetic pathways, including the acyl transfer reactions, remain hypothetical. We report the characterization of two suberin mutants (gpat5-1 and gpat5-2) of Arabidopsis thaliana GPAT5, encoding a protein with acyl-CoA:glycerol-3-phosphate acyltransferase activity. RT-PCR and β-glucuronidase–promoter fusion analyses demonstrated GPAT5 expression in seed coat, root, hypocotyl, and anther. The gpat5 plants showed a 50% decrease in aliphatic suberin in young roots and produced seed coats with a severalfold reduction in very long chain dicarboxylic acid and ω-hydroxy fatty acids typical of suberin but no change in the composition or content of membrane or storage glycerolipids or surface waxes. Consistent with their altered suberin, seed coats of gpat5 mutants had a steep increase in permeability to tetrazolium salts compared with wild-type seed coats. Furthermore, the germination rate of gpat5 seeds under high salt was reduced, and gpat5 seedlings had lower tolerance to salt stress. These results provide evidence for a critical role of GPAT5 in polyester biogenesis in seed coats and roots and for the importance of lipid polymer structures in the normal function of these organs.

The genome of Arabidopsis has been searched for sequences of genes involved in acyl lipid metabolism. Over 600 encoded proteins have been identified, cataloged, and classified according to predicted function, subcellular location, and alternative splicing. At least one-third of these proteins were previously annotated as "unknown function" or with functions unrelated to acyl lipid metabolism; therefore, this study has improved the annotation of over 200 genes. In particular, annotation of the lipolytic enzyme group (at least 110 members total) has been improved by the critical examination of the biochemical literature and the sequences of the numerous proteins annotated as "lipases." In addition, expressed sequence tag (EST) data have been surveyed, and more than 3,700 ESTs associated with the genes were cataloged. Statistical analysis of the number of ESTs associated with specific cDNA libraries has allowed calculation of probabilities of differential expression between different organs. More than 130 genes have been identified with a statistical probability > 0.95 of preferential expression in seed, leaf, root, or flower. All the data are available as a Web-based database, the Arabidopsis Lipid Gene database (http://www.plantbiology.msu.edu/lipids/genesurvey/index.htm). The combination of the data of the Lipid Gene Catalog and the EST analysis can be used to gain insights into differential expression of gene family members and sets of pathway-specific genes, which in turn will guide studies to understand specific functions of individual genes.

Cutin and suberin are the two major lipid-based polymers of plants. Cutin is the structural polymer of the epidermal cuticle, the waterproof layer covering primary aerial organs and which is often the structure first encountered by phytopathogens. Suberin contributes to the control of diffusion of water and solutes across internal root tissues and in periderms. The enzymes responsible for assembly of the cutin polymer are largely unknown. We have identified two Arabidopsis acyltransferases essential for cutin biosynthesis, glycerol-3-phosphate acyltransferase (GPAT) 4 and GPAT8. Double knockouts gpat4/gpat8 were strongly reduced in cutin and were less resistant to desiccation and to infection by the fungus Alternaria brassicicola . They also showed striking defects in stomata structure including a lack of cuticular ledges between guard cells, highlighting the importance of cutin in stomatal biology. Overexpression of GPAT4 or GPAT8 in Arabidopsis increased the content of C16 and C18 cutin monomers in leaves and stems by 80%. In order to modify cutin composition, the acyltransferase GPAT5 and the cytochrome P450-dependent fatty acyl oxidase CYP86A1, two enzymes associated with suberin biosynthesis, were overexpressed. When both enzymes were overexpressed together the epidermal polyesters accumulated new C20 and C22 ω-hydroxyacids and α,ω-diacids typical of suberin, and the fine structure and water-barrier function of the cuticle were altered. These results identify GPATs as partners of fatty acyl oxidases in lipid polyester synthesis and indicate that their cooverexpression provides a strategy to probe the role of cutin composition and quantity in the function of plant cuticles.

Arabidopsis thaliana is frequently used as a model for the study of oilseed biology and metabolism. However, the very small seeds of Arabidopsis can complicate analysis of their oil content and influence the application of results to larger-seeded plants. Here, we describe how seed anatomy, light, and plant-to-plant variation influence the content and measurement of oil in Arabidopsis seeds. The anatomy of Arabidopsis and Brassica napus seeds were compared and the distribution of mass, oil and the fatty acid composition of different seed parts were determined. In Brassica, 90% of the seed oil resides in the cotyledons that contribute 74% of seed mass. By contrast, the values for Arabidopsis are 60% and 45%, respectively, with a higher fraction of the oil deposited in the radicle, hypocotyl, endosperm and seed coat. Growth of Arabidopsis plants with 600 micromol m(-2) s(-1) light resulted in a two-fold higher seed yield, a 40% increase in mass per seed and a 60% increase in oil per seed compared to growth at 100 micromol m(-2) s(-1). Factors that influence the analysis of oil content were evaluated. Intact-seed transmethylation followed by gas chromatography (GC) analysis provided reproducible analysis of Arabidopsis seed oil. However, plant-to-plant variation in oil content is large and we analyzed how this influences the ability to detect statistically valid changes in oil between different genotypes. These observations establish a reference data set on the fatty acid composition and distribution of mass and oil between tissues of Arabidopsis seeds that should help to predict the applicability of results obtained with Arabidopsis to other oilseeds.

Abstract All vascular plants are protected from the environment by a cuticle, a lipophilic layer synthesized by epidermal cells and composed of a cutin polymer matrix and waxes. The mechanism by which epidermal cells accumulate and assemble cuticle components in rapidly expanding organs is largely unknown. We have begun to address this question by analyzing the lipid compositional variance, the surface micromorphology, and the transcriptome of epidermal cells in elongating Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) stems. The rate of cell elongation is maximal near the apical meristem and decreases steeply toward the middle of the stem, where it is 10 times slower. During and after this elongation, the cuticular wax load and composition remain remarkably constant (32 μg/cm2), indicating that the biosynthetic flux into waxes is closely matched to surface area expansion. By contrast, the load of polyester monomers per unit surface area decreases more than 2-fold from the upper (8 μg/cm2) to the lower (3 μg/cm2) portion of the stem, although the compositional variance is minor. To aid identification of proteins involved in the biosynthesis of waxes and cutin, we have isolated epidermal peels from Arabidopsis stems and determined transcript profiles in both rapidly expanding and nonexpanding cells. This transcriptome analysis was validated by the correct classification of known epidermis-specific genes. The 15% transcripts preferentially expressed in the epidermis were enriched in genes encoding proteins predicted to be membrane associated and involved in lipid metabolism. An analysis of the lipid-related subset is presented.

Abstract The reactions leading to triacylglycerol (TAG) synthesis in oilseeds have been well characterized. However, quantitative analyses of acyl group and glycerol backbone fluxes that comprise extraplastidic phospholipid and TAG synthesis, including acyl editing and phosphatidylcholine-diacylglycerol interconversion, are lacking. To investigate these fluxes, we rapidly labeled developing soybean (Glycine max) embryos with [14C]acetate and [14C]glycerol. Cultured intact embryos that mimic in planta growth were used. The initial kinetics of newly synthesized acyl chain and glycerol backbone incorporation into phosphatidylcholine (PC), 1,2-sn-diacylglycerol (DAG), and TAG were analyzed along with their initial labeled molecular species and positional distributions. Almost 60% of the newly synthesized fatty acids first enter glycerolipids through PC acyl editing, largely at the sn-2 position. This flux, mostly of oleate, was over three times the flux of nascent [14C]fatty acids incorporated into the sn-1 and sn-2 positions of DAG through glycerol-3-phosphate acylation. Furthermore, the total flux for PC acyl editing, which includes both nascent and preexisting fatty acids, was estimated to be 1.5 to 5 times the flux of fatty acid synthesis. Thus, recycled acyl groups (16:0, 18:1, 18:2, and 18:3) in the acyl-coenzyme A pool provide most of the acyl chains for de novo glycerol-3-phosphate acylation. Our results also show kinetically distinct DAG pools. DAG used for TAG synthesis is mostly derived from PC, whereas de novo synthesized DAG is mostly used for PC synthesis. In addition, two kinetically distinct sn-3 acylations of DAG were observed, providing TAG molecular species enriched in saturated or polyunsaturated fatty acids.