Resposta do mutante pdr1 de Arabidopsis thaliana a nitrogênio, fósforo e citocinina

Abstract

O nitrogênio (N) e o fósforo (P) são os dois nutrientes mais limitantes à produção vegetal. Alguns mecanismos desenvolvidos pelas plantas para superar eventuais deficiências são bem conhecidos: secreção de fosfatases ácidas, expressão de transportadores de alta afinidade e realocação de nutrientes para órgãos com maior demanda. Porém, as rotas de sinalização desses nutrientes ainda não foram elucidadas. A caracterização de mutantes vem se mostrando útil na identificação de componentes da sinalização de N e P, bem como de sua interação e de fitormônios vegetais. O mutante pdr1, estudado nesse trabalho, se mostrou potencialmente útil no entendimento das respostas a nitrato (Ni) e citocinina. Além da caracterização morfológica de pdr1, buscou-se avaliar, em raízes do ecótipo Columbia, a expressão in situ de genes relacionados ao resgate da limitação de P (AtACP5 e AtPT1) e ao desenvolvimento radicular (CycB1 e QC25) em resposta a P, N e citocinina. A mutação de pdr1 foi localizada no cromossomo 5. Essa alteração genética conferiu redução do comprimento da raiz primária em resposta a Ni quando sob deficiência de Pi, bem como, a concentrações elevadas de citocinina (10-5 mM) independente da concentração de Pi quando havia Ni no meio Além disso, pdr1 também apresentou maior expressão de genes relacionados ao metabolismo do carbono o que pode ter contribuído para o aumento da razão parte aérea/raiz. Observou-se interação nitrato e citocinina, e a presença de elevadas concentrações de nitrato ou de citocinina causou redução no comprimento da raiz primária de Arabidopsis thaliana. A análise in situ mostrou maior expressão de AtACP5 e AtPT1 com o aumento da concentração de Ni. O gene CycB1 teve maior expressão em meio contendo Pi e com o aumento da concentração de Ni. Diferente dos genes anteriores, QC25 teve sua expressão suprimida em função da elevação da concentração de citocinina, indicando que o centro quiescente foi exaurido na raiz primária de Arabidopsis thaliana em resposta a elevada citocinina. Os estudos desenvolvidos evidenciaram interação na sinalização de N e P, que as respostas morfológicas do sistema radicular a nitrato e citocinina são muito similares e que PDR1 é um componente do processo de sinalização da condição nutricional de P e N em Arabidopsis thaliana.

Nitrogen (N) and phosphorus (P) are the two most limiting nutrients for plant production. Some mechanisms developed by plants to overcome nutrient deficiencies are well known: secretion of acid phosphatase, expression of high affinity transporters and reallocation of nutrients to organs with the highest demand. However the signaling pathways of these nutrients have not been elucidated yet. The characterization of mutants has been useful in the identification of N and P signaling components as well as in the interaction of these nutrients and plant hormones. The pdr1 mutant studied in this case proved to be useful for understanding the responses to nitrate (Ni) and cytokinin. In addition to the morphological characterization of the mutant pdr1, we assessed in the roots of the ecotype Columbia, in situ expression of genes related to P starvation response (AtACP5 and AtPT1) and root development (CycB1 and QC25) in response to P, N and cytokinin. The pdr1 mutation was located in chromosome 5. This genetic alteration caused primary root length reduction in response to Ni under Pi deficiency, as well as at high cytokinin (10-5 mM) levels in the presence of Ni and independently of Pi availability Moreover, pdr1 also showed higher expression of genes related to carbon metabolism that may have contributed to increase the shoot/root ratio. Interaction was observed between nitrate and cytokinin. The presence of high concentrations of either nitrate or cytokinin caused reduction in the length of the primary root of Arabidopsis thaliana. In situ analysis showed increased expression of AtACP5 and AtPT1 with increasing concentration of Ni. The CycB1 gene expression was higher in medium containing Pi and increased in response to Ni. Unlike the previous gene, QC25 expression was suppressed by the increase of cytokinin, indicating that the quiescent center of the primary root had been exhausted in Arabidopsis thaliana at high cytokinin. The studies revealed interaction in the signaling of N and P, similarity between the root morphological response to nitrate and cytokinin and that pdr1 is a signaling component of the P and N nutritional status of Arabidopsis thaliana.