An integrated view of changing nutrient availability in model species: the role of signaling in the plant response

Abstract

Las plantas tienen que hacer frente a situaciones cambiantes en cuanto a la disponibilidad de nutrientes, por ese motivo en la presente tesis se ha estudiado la respuesta de (i) Arabidopsis thaliana frente a la deficiencia de fósforo, y de (ii) Medicago truncatula expuesto a diferentes fuentes de N. En este sentido, la deficiencia de fosfato afecta al transporte de electrones mediado por el citocromo c en la cadena de transporte de electrones de la mitocondria, con lo que las plantas habitualmente aumentan el flujo de electrones a través de la oxidasa alternativa (AOX). Con el objetivo de discernir si esta respuesta está unida a un aumento en la producción de óxido rútrico (NO) bajo la deficiencia de fosfato, se crecieron axénicamente plántulas wild type (WT) y doble mutantes de la nitrato reductasa (nía) de Arabidopsis thaliana durante 15 día.s en un medio que conterúa una concentración de fosfato inorgánico de O ó 1 m vL La deficiencia de fosfato produjo un aumento de la producción de NO en las raíces WT, y a su vez también incrementó la cantidad de AOX así como la capacidad de consumir electrones de la vía alternativa en plántulas WT. Sin embargo, bajo el mismo tratamiento las mutantes nía no fueron capaces de estimular la producción de NO ni la expresión de la AOX, y como consecuencia se alteró el crecimiento de estas plántulas que exhibieron un fenotipo diferente. La adición de S­ nitrosoglutatión en el medio de cultivo sin fosfato, en cierto modo restituyó el fenotipo de los mutantes nia, al mismo tiempo que aumentó la capacidad respiratoria asociada a la AOX. De esta manera, se puede concluir que el NO es necesario para la inducción de la vía alternativa de respiración en situaciones en las que la disponibilidad del fosfato es limitada. En la segunda parte de esta tesis, mediante la utilización de condiciones axénicas se ha identificado la respuesta temprana así como el comportamiento de Medicago truncatuala frente a la utilización de amonio y urea como únicas fuentes de N en comparación con la nutrición nítrica. Tanto el amonio como la urea afectaron a la arquitectura radicular, observándose cambios en el ratio de crecimiento de la raíz principal, en el desarrollo de las raíces laterales, así como alternaciones en el punto de inserción de la raíz. El contenido de aminas disminuyó en raíces tratadas con amonio y urea, mientras que respecto a la parte aérea únicamente se vieron afectadas las plantas crecidas en amonio. El análisis de fluorescencia de la clorofila a mostró que mientras el aporte de amonio afectó al fotosistema II, la urea no perjudicó la actividad fotosintética. En raíces, tanto el amonio como la urea afectaron de forma moderada las isoenzimas plastidiales de la actividad superóxido dismutasa. Por otro lado, la exposición a bajas dosis (1m/M) de amonio y urea no tuvo efectos en el metabolismo ni en la señalización del N. Bajo estas condiciones, se observó una inducción de las acuaporinas así como cambios en el metabolismo de los fenilpropanoides de las raíces indicando que la absorción de N del medio por las plantas está mediada por un adecuado mecanismo de detección. Sin embargo, altas dosis (25mM) de N produjeron cambios moderados en las plantas pero no se observaron signos de toxicidad ni estrés nitro­ oxidativo. El contenido de aminoácidos libres y de ureidos se vio afectado a altas concentraciones de N, observándose como resultado un aumento en la producción de amidas así como la activación del ciclo GABA para compensar el exceso de N asimilado bajo nutrición amoniacal. Las raíces crecidas con amonio produjeron las mismas cantidades de NO que las raíces nítricas, indicando que dicho NO podría estar implicado en la respuesta de M. truncatula a altas concentraciones de amonio. En general, nuestros resultados indicaron que las distintas fuentes de N no tuvieron efectos remarcables en M. truncatula crecido a bajas dosis, con excepción de la distinta respuesta fenotípica encontrada en las raíces. En conjunto, estos datos demuestran que tanto el ácido 3-indolacético y el rendimiento fotosintético son componentes importantes en la respuesta de M. truncatula crecida con amonio o urea como fuentes exclusivas de N. Además, otras piezas clave en la tolerancia de M. truncatula frente a la nutrición con amonio y urea son la redistribución del N asimilado, la disponibilidad de un mecanismo de detección muy específico de la fuente de N a nivel de pared celular y membrana plasmática, así como el papel que el NO puede estar desempeñando.

The present thesis is focused on the responses of (i) Arabidopsis thaliana to phosphate starvation, and (ii) Medicago truncatula to different N sources. In this sense, phosphate starvation compromises electron flow through the cytochrome pathway of the mitochondrial electron transport chain, and plants commonly respond to phosphate deprivation by increasing flow through the alternative oxidase (AOX). To test whether this response is linked to the increase in nitric oxide (NO) production that also increases under phosphate starvation, Arabidopsis thaliana seedlings (wild type, WT and nitrate reductase double mutant nia) were grown for 15 days on media containing either 0 or 1mM inorganic phosphate. Phosphate deprivation increased NO production in WT roots, and the AOX level and the capacity of the alternative pathway to consume electrons in WT seedlings; whereas the same treatment failed to stimulate NO production and AOX expression in the nia mutant, and the plants had an altered growth phenotype. The NO donor S-nitrosoglutathione rescued the growth phenotype of the nia mutants under phosphate deprivation to some extent, and it also increased the respiratory capacity of AOX. It is concluded that NO is required for the induction of the AOX pathway when seedlings are grown under phosphate-limiting conditions. Regarding the second part of this thesis, it was focused on the early identification of stress response and plant performance of Medicago truncatula growing in axenic medium with ammonium or urea as the sole source of nitrogen, with respect to nitrate-based nutrition. Both ammonium and ureic nutrition severely affected the root system architecture, resulting in changes in the main elongation rate, lateral root development, and insert position from the root base. The auxin content decreased in both urea- and ammonium-treated roots; however, only the ammonium-treated plants were affected at the shoot level. The analysis of chlorophyll a fluorescence transients showed that ammonium affected photosystem II, but urea did not impair photosynthetic activity. Superoxide dismutase isoenzymes in the plastids were moderately affected by urea and ammonium in the roots. Low dose (1mM) of ammonium or urea did not affect the metabolism and signalling of N. Under this scenario, there was an up-regulation of aquaporins and the modulation of phenylpropanoids metabolism on roots, allowing an accurate sensing mechanism through which plants uptake and assimilated the N of the medium. However, high doses of N (25mM) provoke moderate changes without signals of toxicity or nitro-oxidative stress. High N dose led to changes in the free amino acids and ureides contents, and as a result, an enhancement of amides and an activation of the GABA shunt under ammonium nutrition counterbalance the excess of N assimilated by those plants. Nitric oxide of ammonium roots reached the levels observed under nitrate indicating its possible role on the response to high ammonium by M. truncatula. Overall, our results showed that low N doses from different sources had no remarkable effects on M. truncatula, with the exception of the differential phenotypic root response. Taken together, these data demonstrate that both the indole-3-acetic acid pool and performance index are important components of the response of M. truncatula under ammonium or urea as the sole N source. In addition, the re-distribution of assimilated N compounds, a high specific sensing machinery at cell wall and plasmatic membrane level together with a NO-mediated molecular response in roots are essential players of ammonium or urea tolerance in M. truncatula.