Hvordan regulerer den autofagiske vej lav-nitrogentolerance hos tomater?

Kvælstofmangel (N) påvirker først planters N-optagelses- og assimileringssystemer. Nitrat, den vigtigste kilde til plante-N, absorberes og transporteres af nitrattransportører. Nitrat kan omsættes direkte i rødderne efter absorption og opbevares i vakuolen, men det meste nitrat transporteres til luftplantedele. N og kulstof (C) metabolisme er tæt forbundet i planter. N-mangel påvirker ikke kun N-optagelse og assimilering, men også C-assimilering, især fotosyntese. Proteinnedbrydning til N-genbrug hjælper planter med at tilpasse sig N-mangel.

Autofagi er en af ​​de vigtigste nedbrydnings- og genanvendelsesveje for proteiner og cytoplasmatiske organeller, og den spiller en afgørende rolle i genanvendelse og remobilisering af næringsstoffer under udsultning af næringsstoffer. Under N-begrænsede forhold kan Rubisco overføres til vakuolen og nedbrydes gennem en autofagi-relateret gen (ATG)-afhængig autofagisk proces. Selvom funktionen af ​​autofagi i intern N-genanvendelse er blevet undersøgt grundigt, er det stadig at undersøge, hvordan autofagi påvirker N-optagelse og -assimilering og C-assimileringsprocesser.

For nylig rapporterede forskere fra Hunan Agricultural University og Zhejiang Agricultural University, at den autofagiske vej bidrager til lav nitrogen (LN) tolerance ved at optimere nitrogenoptagelse og udnyttelse i tomater. For det første fandt forfatterne ud af, at tomatautofagi-mutanter (atg6, atg10 og atg18a) er overfølsomme over for LN-stress.

Forfatterne brugte derefter ATG6 knockout-mutanter (atg6) og overekspressionsplanter (ATG6-OE) til yderligere at analysere de biologiske funktioner af autofagi under LN-betingelser og fandt ud af, at ATG6-afhængig autofagi var afgørende for tomatens reaktion på N-begrænsede forhold. Sammenlignet med WT-planter havde atg6-mutanterne lavere biomasse- og klorofylindhold og væsentligt reduceret autophagosomdannelse efter LN-stressbehandling, hvorimod ATG6-OE-planterne havde højere biomasse- og klorofylindhold og større induktion af autophagosomdannelse.

Under LN-stress var skud- og rod-N-indholdet i atg6- og ATG6-OE-planter henholdsvis signifikant lavere og højere end i WT-planter. LN-induceret ekspression af nitrattransportergenerne NRT1.1 og NRT2.1 var fuldstændig kompromitteret i atg6, hvorimod deres ekspression var højere i ATG6-OE-planter end i WT-planter. Efter LN-stressbehandling blev aktiviteterne af nitratreduktase og nitritreduktase i blade af ATG6 knockout-mutanter og ATG6-OE-planter henholdsvis reduceret og øget i forskellige grader sammenlignet med WT-planter.

Disse data indikerede, at autofagi er involveret i N-transport og assimilering under LN-betingelser. Yderligere analyse viste, at ATG6-afhængig autofagi fremmer assimileringen af ​​både N og C og efterfølgende bidrager til plantevækst under LN-stress. Podningseksperimenter, hvor ATG6 knockout-mutanter blev podet med WT-planter som scions eller grundstammer, antydede yderligere, at ATG6-afhængig autofagi systematisk øger N-metabolisme, fotosyntese og plantevækst under LN-betingelser. Dette arbejde er blevet publiceret i tidsskriftet Horticulture Research .

"Vores resultater afslører nye funktioner af autofagi, det vil sige regulering af N-optagelse og -udnyttelse samt C-assimilering, foruden næringsgenanvendelse og remobilisering i tomat under LN-stress," sagde forfatterne. "Forsætlig forbedring af autofagi kan være en gavnlig strategi til at forbedre afgrødevækst og udbytte under nitrogenmangelfulde forhold."