Iron is essential for both plant growth and human health and nutrition. Knowledge of the signaling mechanisms that communicate iron demand from shoots to roots to regulate iron uptake as well as the transport systems mediating iron partitioning into edible plant tissues is critical for the development of crop biofortification strategies. Here, we report that OPT3, previously classified as an oligopeptide transporter, is a plasma membrane transporter capable of transporting transition ions in vitro. Studies in Arabidopsis thaliana show that OPT3 loads iron into the phloem, facilitates iron recirculation from the xylem to the phloem, and regulates both shoot-to-root iron signaling and iron redistribution from mature to developing tissues. We also uncovered an aspect of crosstalk between iron homeostasis and cadmium partitioning that is mediated by OPT3. Together, these discoveries provide promising avenues for targeted strategies directed at increasing iron while decreasing cadmium density in the edible portions of crops and improving agricultural productivity in iron deficient soils.

WRINKLED1 (WRI1), the transcriptional activator of fatty acid synthesis, was recently identified as a target of KIN10, a catalytic α-subunit of the SUCROSE-NON-FERMENTING1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1). We tested the hypothesis that trehalose 6-phosphate (T6P), a signal of cellular sucrose status, can regulate fatty acid synthesis by inhibiting SnRK1. Incubation of Brassica napus suspension cells in medium containing T6P, or overexpression of the Escherichia coli T6P synthase, OtsA, in Nicotiana benthamiana, significantly increased T6P levels, WRI1 levels, and fatty acid synthesis rates. T6P directly bound to purified recombinant KIN10 with an equilibrium dissociation constant (K d) of 32 ± 6 μM based on microscale thermophoresis. GEMINIVIRUS REP-INTERACTING KINASE1 (GRIK1) bound to KIN10 (K d 19 ± 3 μM) and activated it by phosphorylation. In the presence of T6P, the GRIK1-KIN10 association was weakened by more than 3-fold (K d 68 ± 9.8 μM), which reduced both the phosphorylation of KIN10 and its activity. T6P-dependent inhibition of SnRK1 activity was reduced in extracts of individual Arabidopsis thaliana grik1 and grik2 mutants relative to the wild type, while SnRK1 activity in grik1 grik2 extracts was enhanced by T6P. These results indicate that the T6P sensitivity of SnRK1 in vivo is GRIK1/GRIK2 dependent. Based on our findings, we propose a mechanistic model that links sugar signaling and fatty acid homeostasis.

Summary Elevating the lipid content in vegetative tissues has emerged as a new strategy for increasing energy density and biofuel yield of crops. Storage lipids in contrast to structural and signaling lipids are mainly composed of glycerol esters of fatty acids, also known as triacylglycerol ( TAG ). TAG s are one of the most energy‐rich and abundant forms of reduced carbon available in nature. Therefore, altering the carbon‐partitioning balance in favour of TAG in vegetative tissues of sugarcane, one of the highest yielding biomass crops, is expected to drastically increase energy yields. Here we report metabolic engineering to elevate TAG accumulation in vegetative tissues of sugarcane. Constitutive co‐expression of WRINKLED 1 ( WRI 1), diacylglycerol acyltransferase1‐2 ( DGAT 1‐2) and oleosin1 ( OLE 1) and simultaneous cosuppression of ADP ‐glucose pyrophosphorylase ( AGP ase) and a subunit of the peroxisomal ABC transporter1 ( PXA 1) in transgenic sugarcane elevated TAG accumulation in leaves or stems by 95‐ or 43‐fold to 1.9% or 0.9% of dry weight (DW) , respectively, while expression or suppression of one to three of the target genes increased TAG levels by 1.5‐ to 9.5‐fold. Accumulation of TAG in vegetative progeny plants was consistent with the results from primary transgenics and contributed to a total fatty acid content of up to 4.7% or 1.7% of DW in mature leaves or stems, respectively. Lipid droplets were visible within mesophyll cells of transgenic leaves by confocal fluorescence microscopy. These results provide the basis for optimizations of TAG accumulation in sugarcane and other high yielding biomass grasses and will open new prospects for biofuel applications.

WRINKLED1 (WRI1), a member of the APETALA2 (AP2) class of transcription factors, positively regulates glycolysis and lipid biosynthesis in Arabidopsis thaliana Here, we identify mechanistic links between KIN10, the major SUCROSE NON-FERMENTATION1-RELATED KINASE1 involved in sugar/energy homeostasis, and the posttranslational regulation of WRI1. Transient expression of WRI1 with OLEOSIN1 in Nicotiana benthamiana stimulates triacylglycerol accumulation, but their coexpression with KIN10 abrogates this effect by inducing proteasomal degradation of WRI1. While WRI1 lacks canonical KIN10 target sequences, we demonstrated direct KIN10-dependent phosphorylation of WRI1 using purified Escherichia coli-expressed components. The resulting phosphorylated WRI1 was more rapidly degraded than native WRI1 in cell-free degradation assays. WRI1 phosphorylation was localized to two variants of the canonical KIN10 recognition sequence, one in each of its two AP2 DNA binding domains. Conversion of the phosphorylation sites at Thr-70 and Ser-166 to Ala resulted in a loss of KIN10-dependent phosphorylation, and when coexpressed with KIN10 the WRI1 double mutant accumulated to 2- to 3-fold higher levels than native WRI1. KIN10-dependent degradation of WRI1 provides a homeostatic mechanism that favors lipid biosynthesis when intracellular sugar levels are elevated and KIN10 is inhibited; conversely, glycolysis and lipid biosynthesis are curtailed as sugar levels decrease and KIN10 regains activity.

Phytochelatins mediate tolerance to heavy metals in plants and some fungi by sequestering phytochelatin-metal complexes into vacuoles. To date, only Schizosaccharomyces pombe Hmt1 has been described as a phytochelatin transporter and attempts to identify orthologous phytochelatin transporters in plants and other organisms have failed. Furthermore, recent data indicate that the hmt1 mutant accumulates significant phytochelatin levels in vacuoles, suggesting that unidentified phytochelatin transporters exist in fungi. Here, we show that deletion of all vacuolar ABC transporters abolishes phytochelatin accumulation in S. pombe vacuoles and abrogates 35S-PC2 uptake into S. pombe microsomal vesicles. Systematic analysis of the entire S. pombe ABC transporter family identified Abc2 as a full-size ABC transporter (ABCC-type) that mediates phytochelatin transport into vacuoles. The S. pombe abc1 abc2 abc3 abc4 hmt1 quintuple and abc2 hmt1 double mutant show no detectable phytochelatins in vacuoles. Abc2 expression restores phytochelatin accumulation into vacuoles and suppresses the cadmium sensitivity of the abc quintuple mutant. A novel, unexpected, function of Hmt1 in GS-conjugate transport is also shown. In contrast to Hmt1, Abc2 orthologs are widely distributed among kingdoms and are proposed as the long-sought vacuolar phytochelatin transporters in plants and other organisms. Phytochelatins mediate tolerance to heavy metals in plants and some fungi by sequestering phytochelatin-metal complexes into vacuoles. To date, only Schizosaccharomyces pombe Hmt1 has been described as a phytochelatin transporter and attempts to identify orthologous phytochelatin transporters in plants and other organisms have failed. Furthermore, recent data indicate that the hmt1 mutant accumulates significant phytochelatin levels in vacuoles, suggesting that unidentified phytochelatin transporters exist in fungi. Here, we show that deletion of all vacuolar ABC transporters abolishes phytochelatin accumulation in S. pombe vacuoles and abrogates 35S-PC2 uptake into S. pombe microsomal vesicles. Systematic analysis of the entire S. pombe ABC transporter family identified Abc2 as a full-size ABC transporter (ABCC-type) that mediates phytochelatin transport into vacuoles. The S. pombe abc1 abc2 abc3 abc4 hmt1 quintuple and abc2 hmt1 double mutant show no detectable phytochelatins in vacuoles. Abc2 expression restores phytochelatin accumulation into vacuoles and suppresses the cadmium sensitivity of the abc quintuple mutant. A novel, unexpected, function of Hmt1 in GS-conjugate transport is also shown. In contrast to Hmt1, Abc2 orthologs are widely distributed among kingdoms and are proposed as the long-sought vacuolar phytochelatin transporters in plants and other organisms.

Double-stranded (ds)RNA interference (RNAi) is widely used for functional analysis of plant genes and is achieved via generating stable transformants expressing dsRNA in planta. This study demonstrated that RNAi can also be utilized to examine gene functions in protoplasts. Because protoplasts are nongrowing cells, effective RNAi-triggered gene silencing depends not only on a depletion of gene transcripts but also on turnover rates of corresponding polypeptides. Herein, we tested if transient RNAi in protoplasts would result in the depletion of a targeted polypeptide and, because protoplasts have a limited life span, if functional assays of RNAi knockout genes would be feasible in protoplasts. We showed that protoplasts transfection with an in vitro-synthesized dsRNA against Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) beta-glutamylcysteine synthase (ECS1), a key enzyme in the synthesis of glutathione, resulted in a 95% depletion of ECS1 transcript, a 72% decrease of ECS1 polypeptide, and a 60% drop in glutathione content. These results were comparable with those obtained upon analysis of Arabidopsis seedlings bearing the cad2-1 mutant allele of ECS1. We also improved the procedure for RNAi inactivation of several genes simultaneously. Finally, because we isolated protoplasts from tissues of 14-d-old seedlings instead of 1-month-old mature plants, the described procedure is rapid (as it only takes 20 d from seed planting to functional studies), suitable for analyzing multiple genes in parallel, and independent of cloning dsRNAs into plant expression vectors. Therefore, RNAi in protoplasts complements existing genetic tools, as it allows rapid, cost- and space-efficient initial screening and selection of genes for subsequent in planta studies.

The biogenesis of photosynthetic membranes in the plastids of higher plants requires an extensive supply of lipid precursors from the endoplasmic reticulum (ER). Four TRIGALACTOSYLDIACYLGLYCEROL (TGD) proteins (TGD1,2,3,4) have thus far been implicated in this lipid transfer process. While TGD1, TGD2, and TGD3 constitute an ATP binding cassette transporter complex residing in the plastid inner envelope, TGD4 is a transmembrane lipid transfer protein present in the outer envelope. These observations raise questions regarding how lipids transit across the aqueous intermembrane space. Here, we describe the isolation and characterization of a novel Arabidopsis thaliana gene, TGD5. Disruption of TGD5 results in similar phenotypic effects as previously described in tgd1,2,3,4 mutants, including deficiency of ER-derived thylakoid lipids, accumulation of oligogalactolipids, and triacylglycerol. Genetic analysis indicates that TGD4 is epistatic to TGD5 in ER-to-plastid lipid trafficking, whereas double mutants of a null tgd5 allele with tgd1-1 or tgd2-1 show a synergistic embryo-lethal phenotype. TGD5 encodes a small glycine-rich protein that is localized in the envelope membranes of chloroplasts. Coimmunoprecipitation assays show that TGD5 physically interacts with TGD1, TGD2, TGD3, and TGD4. Collectively, these results suggest that TGD5 facilitates lipid transfer from the outer to the inner plastid envelope by bridging TGD4 with the TGD1,2,3 transporter complex.

Iron (Fe) is essential for plant growth and development. However, alkaline soils, which occupy approximately 30% of the world's arable lands, are considered Fe-limiting for plant growth because insoluble Fe (III) chelates prevail under these conditions. In contrast, high bioavailability of Fe in acidic soils can be toxic to plants due to the ability of Fe ions to promote oxidative stress. Therefore, plants have evolved sophisticated mechanisms to sense and respond to the fluctuation of Fe availability in the immediate environment and to the needs of developing shoot tissues to preclude deficiency while avoiding toxicity. In this review, we focus on recent advances in our understanding of local and systemic signaling of Fe status with emphasis on the contribution of Fe, its interaction with other metals and metal ligands in triggering molecular responses that regulate Fe uptake and partitioning in the plant body.

Protoplasts are plant cells that have had their cell walls enzymatically removed. Isolation of protoplasts from different plant tissues was first reported more than 40 years ago and has since been adapted to study a variety of cellular processes, such as subcellular localization of proteins, isolation of intact organelles and targeted gene-inactivation by double stranded RNA interference (RNAi). Most of the protoplast isolation protocols use leaf tissues of mature Arabidopsis (e.g. 35-day-old plants). We modified existing protocols by employing 14-day-old Arabidopsis seedlings. In this procedure, one gram of 14-day-old seedlings yielded 5 10(6)-10(7) protoplasts that remain intact at least 96 hours. The yield of protoplasts from seedlings is comparable with preparations from leaves of mature Arabidopsis, but instead of 35-36 days, isolation of protoplasts is completed in 15 days. This allows decreasing the time and growth chamber space that are required for isolating protoplasts when mature plants are used, and expedites the downstream studies that require intact protoplasts.

The first committed step in fatty acid synthesis is mediated by acetyl-CoA carboxylase (ACCase), a biotin-dependent enzyme that carboxylates acetyl-CoA to produce malonyl-CoA. ACCase can be feedback regulated by short-term or long-term exposure to fatty acids in the form of Tween 80 (predominantly containing oleic acid), which results in reversible or irreversible ACCase inhibition, respectively. Biotin attachment domain-containing (BADC) proteins are inactive analogs of biotin carboxyl transfer proteins that lack biotin, and their incorporation into ACCase down-regulates its activity by displacing active (biotin-containing) biotin carboxyltransferase protein subunits. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) lines containing T-DNA insertions in BADC1, BADC2, and BADC3 were used to generate badc1 badc2 and badc1 badc3 double mutants. The badc1 badc3 mutant exhibited normal growth and development; however, ACCase activity was 26% higher in badc1 badc3 and its seeds contained 30.1% more fatty acids and 32.6% more triacylgycerol relative to wild-type plants. To assess whether BADC contributes to the irreversible phase of ACCase inhibition, cell suspension cultures were generated from the leaves of badc1 badc3 and wild-type plants and treated with 10 mm Tween 80. Reversible ACCase inhibition was similar in badc1 badc3 and wild-type cultures after 2 d of Tween 80 treatment, but irreversible inhibition was reduced by 50% in badc1 badc3 relative to wild-type plants following 4 d of Tween 80 treatment. In this study, we present evidence for two important homeostatic roles for BADC proteins in down-regulating ACCase activity: by acting during normal growth and development and by contributing to its long-term irreversible feedback inhibition resulting from the oversupply of fatty acids.