Thesis (PhD (Plant biotechnology))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: In soils, the concentration of available phosphate (P) for plants is normally very low (ca. 1 µM in the soil solution), because most of the P combines with iron, aluminium and calcium to form relatively insoluble compounds. Inorganic P (Pi)-deficiency is thought to be one of the limiting factors of nitrogen fixation due to the high energy requirement for nitrogenase function of plants taking part in nitrogen fixation. Pideficiency has important implications for the metabolic Pi and adenylate pools of plants, which influence respiration and nitrogen fixation. An alternative route of pyruvate supply during Pi stress has been proposed involving the combined activities of phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPc), malate dehydrogenase (MDH) and NAD-malic enzyme (ME) supplying pyruvate to the mitochondrion during Pi stress. Previously, three isoforms of PEPc were isolated from lupin nodules and roots, with two forms being nodule specific. The aim of this project was to determine the effect of Pi stress on these PEPc isoforms in Lupinus luteus at transcript and protein expression level with a view to produce genetically modified crops for nutrient-poor soils. Cytosolic P levels were measured over a time course to give an indication of temporal development of P stress in nodules. The changes in enzyme activities of PEPc, MDH and PK (pyruvate kinase) under P stress were measured and the downstream effect on amino and organic acid pools were analysed. Two novel PEPc isoforms, LUP1 (AM235211) and LUP2 (AM237200) were isolated from nodules, followed by transcriptional and protein expression analyses. Nodules under P stress had lower amounts of metabolically available Pi and as P stressed developed, the amount of Pi decreased. This decline in Pi levels was associated with lower growth, but higher biological nitrogen fixation (BNF). A greater proportion of root-nodule respiration was devoted to nutrient acquisition than to new growth. A typical P-stress response is higher anaplerotic carbon fixation via PEPc. However, in this study, no significant differences were found for PEPc, MDH or PK in P-stressed plants compared to P-sufficient plants which would lead to an increase in organic acids. An increase in key amino acids was reported along with unchanged levels of organic acids. These levels of organic and amino acid are in congruence with the increases in BNF under P-starvation. No significant differences were found in expression of PEPC1 or PEPC2 at 12 and 20 days for both P-sufficient and P-stressed plants which further supported the lack of engagement of the PEPc-MDH-ME bypass. PEPc activity appeared not to be regulated by gene expression or phosphorylation indicating that other posttranslational modifications such as a decrease in protein degradation may be of importance. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die konsentrasie van fosfaat (P) beskikbaar vir opname deur plante vanuit die grond is gewoonlik baie laag (in die omgewing van 1 µM) aangesien die P onoplosbare komplekse vorm met katione soos yster, aluminium en kalsium. ‘n Tekort aan anorganiese P (Pi) word gereken as een van die beperkende faktore van stikstofbinding as gevolg van die hoë energie behoefte wat nitrogenase plaas op plante wat van gefikseerde stikstof gebruik maak. Hierdie P-tekort het ook belangrike betrekking op die metaboliese fosfaat- en adenilaatpoele wat weer op hul beurt respirasie en stikstofbinding beÏnvloed. ‘n Alternatiewe roete van pirovaatvoorsiening aan mitochondria tydens fosfaatstres is voorgestel wat bestaan uit die aktiwiteite van fosfoenolpirovaat karboksilase (PEPc), malaat dehidrogenase en NAD-malaat ensiem. Vantevore is drie isovorme van PEPc uit Lupinus luteus wortelknoppies en wortels geïsoleer, met twee van die isovorme wat wortelknoppie-spesifiek was. The doel van hierdie projek was om die invloed van P-tekort op die transkripsie en proteien uitdrukkingsvlak van hierdie PEPc isovorme te bepaal met die doel van gemodifiseerde gewasse vir arm gronde ingedagte. Sitoplasmiese P konsentrasies is gemeet oor tyd om ‘n aanduiding te gee van die ontwikkeling van P-tekort oor tyd. Veranderinge in ensiemaktiwiteite van PEPc, MDH en pirovaatkinase (PK) is gemeet gedurende P-tekort as ook die moontlike effek van hierdie ensiemaktiwiteite op aminosuur en organiese suur poele. Twee nuwe PEPc isovorme, LUP1 (AM235211) en LUP2 (AM237200) is uit wortelknoppies geïsoleer en gekarakteriseer. Transkripsie en proteïenuitdrukking is geanaliseer. Wortelknoppies wat P-tekort behandeling ontvang het, het laer vlakke van metabolise beskikbare Pi gehad en soos die P-tekort ontwikkel het oor tyd, het die Pi vlakke gedaal. Hierdie afname in vlakke van Pi was geassosieer met laer groei, maar met ‘n toename in biologiese stikstofbinding. ‘n Groter proporsie van respirasie is toegestaan aan minerale opname as aan nuwe groei. ‘n Tipiese reaksie op P-tekort is hoër anaplerotiese koolstofbinding via PEPc. Alhoewel, in hierdie studie is geen gevind betekenisvolle verandering gevind in die aktiwiteite van PEPc, MDH en PK nie in plante wat P-tekort ervaar het nie. Verhoogde aktiwiteit van hierdie ensieme sou verhoogde organise suur konsentrasies tot gevolg hê. ‘n Toename in aminosuur konsentrasies is gevind tesame met onveranderde vlakke van organiese sure. Hierdie toename in aminosure word onderskryf deur die verhoogde biologiese stikstofbinding tydens P-tekort. Geen betekenisvolle verskille is gevind in die geenuitdrukking van pepc1 en pepc2 by beide 12 en 20 dae van P-tekort nie, wat verder die afwesigheid van die PEPc- MDH-ME alternatiewe roete beaam het. Dit blyk dat PEPc aktiwiteit nie deur geenuitdrukking of proteïenfosforilering beheer word nie, maar eerder dat ander posttranslasie modifikasies soos ‘n verlaagde afbraak van proteïen ‘n rol speel.

Homologous recombination represents a DNA repair pathway. Its role in a plant cell is not limited to double strand break repair. It also extends to genome evolution via rearranging of DNA sequences, and has an important application in foreign DNA integration in the plant genome. Our study demonstrated that effects exerted by stress on homologous recombination and genome stability are not restricted to the exposed generation. The progeny of plants exposed to stress exhibited elevated spontaneous homologous recombination, changes in DNA methylation and higher tolerance to stress. These heritable changes are mediated by an unknown stress-inducible epigenetic signal. Furthermore, we demonstrated that using factors that enhance homologous recombination can improve the efficiency of genetic transformation by Agrobacterium. We have developed and patented a plant growth medium enhancing homologous recombination and significantly increasing the transformation frequency. The role of several other chemicals for the improvement of transformation was also evaluated. / xxi, 246 leaves : ill. ; 29 cm. --

Thesis (PhD)--Macquarie University, Division of Environmental and Life Sciences, Dept. of Biological Sciences, 2005. / Bibliography: p. 178-203. / Introduction -- Study sites -- Leaf characteristics and resource availability -- Insect herbivory and resource availability -- Insect communities and resource availability -- Influence of resource availability on recovery from herbivory -- Conclusions. / This project used the resource availability hypothesis (Coley et al., 1985) as a framework for investigating the relationship between resource availability (as defined by soil nutrients), leaf traits, insect herbivore damage and insect community structure. According to the hypothesis, plants from low resource environments should be better-defended, have longer leaf lifespans and slower growth rates than plants from higher resource environments. Higher resource plant species are expected to suffer higher levels of herbivory and recover faster from herbivory than low resource plant species (Coley et al. 1985). A corollary to this hypothesis is that plants from higher resource sites should support greater densities of insect herbivores than low resource species. Comparisons between high and low resource sites were made in terms of: (i) leaf traits of mature and immature leaves; (ii) phenology of leaf maturation; (iii) herbivore damage in the field and laboratory; (iv) diversity and abundance of herbivorous insect fauna; and (v) ability to recover from herbivory. / Mode of access: World Wide Web. / 243 p. ill., maps

Les travaux entrepris au cours de cette thèse visaient à répondre à des questions fondamentales sur la biologie évolutive des plantes adaptées aux sols contaminés par des métaux lourds. À travers une approche comparative de populations métallicoles (M :sur sols métallifères) et non métallicoles (NM :sur sol normal) de l’espèce modèle Thlaspi caerulescens, cette thèse avait donc pour objectif général d’appréhender l’adaptation aux habitats métallifères d’une manière plus globale que par le seul trait de tolérance aux métaux. Nous avons donc cherché à mettre en évidence les différences de stratégie de vie entre les populations M et NM. Nous avons également estimé le coût de l’adaptation à l’environnement métallifère. Enfin, nous avons porté une attention particulière au rôle que pouvait jouer la plasticité dans l’adaptation à l’environnement métallifère. Cette plasticité a été considérée au niveau des traits d’histoire de vie et du système racinaire. <p>Trois expériences ont étudié les variations des traits d’histoire de vie des populations M et NM: (1) une culture en conditions contrôlées des populations sur un gradient de concentrations en Zn, (2) une expérience de transplantation réciproque in situ de populations M et NM et (3) un suivi démographique dans les populations M et NM. Enfin, une quatrième expérience (4) visait à évaluer les variations entre populations M et NM d’un trait particulier :la plasticité du système racinaire en réponse à une distribution hétérogène des métaux dans le sol. <p>Nos résultats montrent que les plantes M ont, en moyenne, des cycles de vie plus courts que les plantes NM (exp. 1, 3). Par ailleurs, les populations M sont capables de modifier leur stratégie de reproduction en fonction des teneurs en métaux dans le sol ou du site de transplantation (métallifère vs. non métallifère). Que ce soit sur des substrats non contaminés en Zn (exp. 1) ou sur des sites non métallifères (exp. 2), les plantes M produisent autant de graines au cours de leur vie que les plantes NM. Ces résultats suggèrent l’absence d’un coût adaptatif fort chez les plantes M. In situ (exp. 3), nous avons mis en évidence un effet structurant de l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères sur les stratégies de vie des plantes M. Enfin, les plantes M ont exprimé une plasticité plus élevée du comportement d’exploration racinaire que les plantes NM (exp. 4). <p>L’existence de stratégies de vie plastiques, l’homéostasie de la fitness sur une large gamme de concentrations en Zn, ainsi que le faible coût adaptatif mis en évidence chez les populations M suggèrent que ces populations sont plus aptes à fonder de nouvelles populations que les populations NM. Nos résultats ont également clairement démontré que les populations M sont caractérisées par une plasticité plus élevée que les populations NM (génotype généraliste). Cette plasticité concerne à la fois les stratégies de vie et les mécanismes d’exploration racinaire. Cette plasticité élevée des plantes M a très probablement évolué en réponse à l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères La sélection de génotypes généralistes sur les sites métallifères est une piste de recherche qui mérite, à présent, d’être approfondie chez les autres espèces colonisant les sites métallifères. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Dehydrins are type II LEA proteins induced in many plants during drought, low temperature, and high salinity to confer stress tolerance. AtERD14 is an Arabidopsis thaliana dehydrin that functions in part of the cold stress pathway. AtERD14 has chaperone-like capabilities that allow it to bind and protect various proteins from dehydration stresses. In order to determine the necessary components for cold induction of AtERD14, AtERD14prom::GFP/GUS and AtERD14prom::AtERD14 in AtERD14 KO constructs were created and stably transformed into A. thaliana. Analysis of the constructs showed the AtERD14 promoter alone was insufficient to respond to cold, and it was necessary to attach the AtERD14 coding region to the promoter to induce a cold response in ERD14. On the other hand, the RD29aprom::GFP/GUS promoter did respond to cold stress, indicating that RD29a does not require its coding region to support an increased amount of reporter activity after cold stress. The protoplast transformation system, while capable of transient expression of introduced constructs in protoplasts, was difficult for use for cold-inducible expression.