Plastid

Naturpflanzen (2023)Diesen Artikel zitieren

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Die Toxizität von Ammonium, die den Stoffwechsel und die Entwicklung von Pflanzen beeinträchtigt, ist ein weltweites Problem, das die Pflanzenproduktion beeinträchtigt. Bemerkenswerterweise bevorzugt Reis (Oryza sativa L.) Ammonium als Hauptstickstoffquelle in Reisfeldern. Wir haben ein vorwärtsgerichtetes genetisches Screening durchgeführt, um die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, die Reis-Ammoniumtoleranz verleihen, und identifizierten Rohan, der aufgrund einer Missense-Mutation in einem für Argininosuccinat-Lyase (ASL) kodierenden Gen eine Wurzelüberempfindlichkeit gegenüber Ammonium aufweist. ASL lokalisiert sich in Plastiden und seine Expression wird durch Ammonium induziert. ASL mildert die durch Ammonium gehemmte Wurzelverlängerung, indem es überschüssiges Glutamin in Arginin umwandelt. Folglich führt Arginin zu einer Auxinakkumulation im Wurzelmeristem und stimuliert dadurch die Wurzelverlängerung bei hohem Ammoniumgehalt. Darüber hinaus identifizierten wir natürliche Variationen im ASL-Allel zwischen Japonica- und Indica-Unterarten, was ihre unterschiedliche Wurzelempfindlichkeit gegenüber Ammonium erklärt. Schließlich zeigen wir, dass die ASL-Expression positiv mit der Ammoniumtoleranz der Wurzeln korreliert und dass die Effizienz und der Ertrag der Stickstoffnutzung durch einen Gain-of-Function-Ansatz verbessert werden können.

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Die Rohdatensätze der Gesamtgenomsequenzierung (WGS) und RNA-seq-Datensätze wurden bei NCBI BioProject (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject) unter den Zugangsnummern PRJNA808438 und PRJNA808101 hinterlegt. Die Datensätze der breit angelegten Metabolomik sind im OMIX, China Center for Bioinformation/Beijing Institute of Genomics, Chinese Academy of Sciences, mit der Zugangsnummer OMIX004476 (https://ngdc.cncb.ac.cn/omix) hinterlegt und auch verfügbar in der Ergänzungstabelle 1. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt. Datensätze, die über die oben genannten Links nicht verfügbar sind, können beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Referenzen herunterladen

Wir danken H. Qu, X. Dai und K. Qian für ihre technische Hilfe bei den 15N-Aufnahmetests und der konfokalen Bildgebung. Diese Arbeit wurde vom China National Key Program for Research and Development (Zuschuss-Nr. 2021YFF1000403), dem Project of Sanya Yazhou Bay Science and Technology City (Zuschuss-Nr. SCKJ-JYRC-2022-21), der National Natural Science Foundation (Zuschuss-Nr 32072658 und 31822047), Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramm der Provinz Jiangsu (Zuschuss-Nr. BE2020339), Projekt zur Wiederbelebung der Jiangsu-Saatgutindustrie (Zuschuss-Nr. JBGS [2021] 011) und Forschungsstiftung – Flandern: Bilateraler Fonds für wissenschaftliche Zusammenarbeit mit China (Zuschuss). Nr. G002817N). YX wird durch ein Stipendium des Chinese Scholarship Council (Fördernummer 201806850032) unterstützt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Yuanming Xie, Yuanda Lv.

Staatliches Schlüssellabor für Pflanzengenetik und Keimplasma-Verbesserung und -Nutzung und MOA-Schlüssellabor für Pflanzenernährung und -düngung im unteren mittleren Bereich des Jangtsekiang, Sanya-Institut der Nanjing Agricultural University, Nanjing Agricultural University, Nanjing, China

Yuanming Xie, Letian Jia, Lulu Zheng, Yonghui Li, Ming Zhu, Long Luo, Shaoyan Lin, Le Luo, Guohua Xu und Wei Xuan

Abteilung für Pflanzenbiotechnologie und Bioinformatik, Universität Gent, Gent, Belgien

Yuanming Xie, Hugues De Gerner, Pierre-Mathieu Pélissier, Hans Motte und Tom Beeckman

VIB-UGent Zentrum für Pflanzensystembiologie, Gent, Belgien

Yuanming Xie, Hugues De Gerner, Pierre-Mathieu Pélissier, Hans Motte und Tom Beeckman

Exzellenz- und Innovationszentrum, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing, China

Yuanda Lv & Weicong Qi

Abteilung für Pflanzenpathologie, Nanjing Agricultural University, Nanjing, China

Mengjun Tian & Ming Wang

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WX und TB leiteten die Experimente. YX und Y. Lv führten die meisten Experimente und Analysen durch. LJ, LZ, MZ und Long Luo halfen bei der Vektorkonstruktion. Y. Li half beim Root-Bereich. MT und MW halfen bei der Analyse des Indol-3-essigsäuregehalts. WQ half bei der Phänotypisierungsanalyse. HDGP-MP und HM halfen bei der Bildgebung. SL und Le Luo halfen bei der Analyse des Aminosäuregehalts. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und trugen zur Fertigstellung des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Tom Beeckman oder Wei Xuan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Plants dankt Takushi Hachiya und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a, Relative Samenwurzeln (SR) von Wildtyp- (WT) und Rohan-Sämlingen, die 6 Tage lang mit unterschiedlichen Konzentrationen von NH4+ und NO3− behandelt wurden. b, Relative SR-Länge von WT- und Rohan-Pflanzen, die über einen Tag bis fünf Tage ohne oder mit 2,5 mM NH4+ behandelt wurden. c, d, Wurzelphänotyp (c) und SR-Länge (d) von WT- und Rohan-Sämlingen, die in modifizierter Kimura B-Lösung mit oder ohne angegebene Nährstoffelemente gezüchtet wurden. Maßstabsbalken, 1 cm. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung dar (die Zahlen in den Spalten geben die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge an). e,f, Wurzelphänotyp (e) und SR-Länge (f) von WT- und Rohan-Sämlingen, die in H2O gezüchtet wurden, versorgt mit oder ohne angegebene Nährstoffe. Die verwendeten Konzentrationen der Chemikalien waren wie folgt: 0,3 mM Gln, 1,25 mM (NH4)2SO4, 0,3 mM NaH2PO4, 0,65 mM K2SO4, 1 mM CaCl2, 1 mM MgSO4, 20 μM EDTA-Fe und 0,5 mM Na2SiO3. Maßstabsbalken, 1 cm. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung dar (die Zahlen in den Spalten geben die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge an). h,i, Konfokale Bilder (h) und Kortexzelllänge (i) in der Wurzelreifungszone von WT- und Rohan-Sämlingen, die 4 Tage lang mit oder ohne NH4+ behandelt wurden. Ep, Epidermis. Ex, Exodermis. Sc, Sklerenchym. Co, Kortex. Maßstabsbalken, 100 μm. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung dar (die Zahlen in den Spalten geben die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge an). a,b, Boxplot, Median (Mittellinie), obere/untere Quartile (Box), Minimum/Maximum (Whisker) (n gibt die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge an) und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede zwischen WT und Rohan bei jeder Konzentration an NH4+ oder NO3− (a) oder jeden Tag (b) (zweiseitiger Student-T-Test, ****P < 0,0001). c,e, Die gelben gepunkteten Linien zeigen die Positionen der Wurzelspitzen an, als die Samen auf Medien übertragen wurden, die mit oder ohne die angegebenen Nährstoffe versorgt wurden. f,i, Die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede an (zweiseitiger Student-T-Test); ns, nicht signifikant.

Quelldaten

a, Relatives Expressionsniveau der Ammoniumtransporter AMT1.1, AMT1.2, AMT1.3 und AMT2.1 in den Wurzelspitzen von Wildtyp- (WT) und Rohan-Sämlingen, die 4 Tage lang mit oder ohne 2,5 mM NH4+ behandelt wurden. Die Daten stellen die Mittelwerte ± se von drei biologischen Replikaten dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede an (zweiseitiger Student-T-Test). b, Quantifizierung der Netto-NH4+- und Protonenflüsse in der Wurzelspitze von WT- und Rohan-Sämlingen, die mit oder ohne 2,5 mM NH4+ behandelt wurden. Die Daten stellen den Mittelwert ± sd dar (n = 3 einzelne Sämlinge jeder Linie), und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede an zwischen WT und Rohan an jeder getesteten Position entlang der Wurzel (zweiseitiger Student-t-Test, ****P < 0,0001). c: BCP-Färbung von gemahlenem Wurzelgewebe, die die Wurzelversauerung von WT-, Rohan- und Rohan-C1-Sämlingen zeigt, die entweder unter N-freien oder 2,5 mM NH4+-Bedingungen gezüchtet wurden (drei biologische Replikate). d, e, Wurzelphänotyp (d) und Samenwurzellänge (SR) (e) von WT- und Rohan-Sämlingen, behandelt mit oder ohne 2,5 mM NH4+, unter den Bedingungen pH 5,5 und pH 4,0. Die weiße gepunktete Linie zeigt die Position der Wurzelspitzen, wenn die Sämlinge auf N-freie oder NH4+-Medien mit unterschiedlichen pH-Werten übertragen wurden. Maßstabsleiste, 1 cm. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung dar (die Zahlen in den Spalten geben die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge an). Die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede zwischen Behandlungen mit pH 5,5 und pH 4,0 an (zweiseitiger Student-T-Test).

Quelldaten

a, Wurzelphänotypen des Wildtyps (WT), Rohan und der F1-Nachkommen der Rohan x Wildtyp-Rückkreuzung, behandelt mit 2,5 mM NH4+ für 6 Tage. 12 unabhängige F1-Nachkommenkeimlinge zeigten einen identischen Wurzelphänotyp. Maßstabsleiste, 1 cm. b, Segregationsstatistik der Wildtyp- und Rohan-Wurzel-Phänotypen in den Rückkreuzungs-F2-Nachkommen. c: Euklidische Distanzassoziationsanalyse des ASL-Kandidatenintervalls im Reisgenom. ED4 wurde basierend auf der SNP- und InDel-Frequenz berechnet. Der rote Pfeil zeigt die chromosomale Position des ASL-Gens an. ED, Euklidische Distanz. d, Skizzenkarte der Mutationsstellen in den CRISPR-Knockout-Linien von ASL. Rote Dreiecke zeigen die Mutationszielstellen an.

a, Phylogenetischer Baum von ASL, erstellt mit der MEGA 7.0-Software durch die Neighbor-Jointing-Methode mit 1000 Bootstrapping-Versuchen. Die Zahlen auf dem Zweig geben Bootstrapping-Werte an. Escherichia coli (Ec), Triticum aestivum (TAE), Oryza sativa (Os), Medicago truncatula (Mt), Selaginella moellendorffii (Sm), Arabidopsis thaliana (At), Sorghum bicolor (Sb), Zea mays (Zm), Hordeum vulgare (HV), Brachypodium distachyon (Bd). b, Expressionsmuster von proASL:GUS im Wurzelgewebe von Wildtyp-Sämlingen (Oryza sativa cv. Wuyungeng7). LR, Seitenwurzel; LRP, seitliches Wurzelprimordium; DZ, Differenzierungszone; MZ, Meristemzone. Ähnliche Ergebnisse wurden aus Wurzelabschnitten von drei unabhängigen Sämlingen erhalten. Maßstabsbalken, 100 μm. T-LRP, Querschnitt des seitlichen Wurzelprimordiums. T-DZ, Querschnitt der Wurzeldifferenzierungszone. T-MZ, Querschnitt der Wurzelmeristemzone. Maßstabsbalken, 100 μm. c, Ausrichtung der ASL-Aminosäuresequenz in verschiedenen Pflanzenarten mithilfe der ESPript 3-Software. Die rote Pfeilspitze zeigt die Position der Mutationsstelle an. Zugangsnummern für ausgerichtete Sequenzen: EcASL, WP_109536061.1; AtASL, NP_196653.1; OsASL, XP_015632553.1; BdASL, XP_010228716.1; HvASL, BJ96216.1; SmASL, EFJ24721.1; MtASL, XP_003602904.2; TaeASL, XP_044394196.1.

a, Skizzenkarte der Mutationsstellen in den CRISPR-Knockout-Linien der Glutamin-Synthestase (GS1;1). b, Quantifizierung des Gln-Gehalts in den Wurzelspitzen von Wildtyp- (Oryza sativa cv. Nipponbare) und zwei gs1;1-Mutantenlinien, die 6 Tage lang mit oder ohne 2,5 mM NH4+ behandelt wurden. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung von drei biologischen Wiederholungen dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede im Vergleich zum Wildtyp an (zweiseitiger Student-T-Test). ns, nicht signifikant. c, Relatives Expressionsniveau von ASL an der Wurzelspitze von Wildtyp-, gs1;1-1-, gs1;1-2-, qko-1- und qko-2-Sämlingen unter Behandlungen mit oder ohne 2,5 mM NH4+ für 3 Tage. Die Daten stellen die Mittelwerte ± se von drei biologischen Replikaten dar, und Sternchen zeigen signifikante Unterschiede im Vergleich zu N-frei an (zweiseitiger Student-T-Test). Ähnliche Ergebnisse wurden in drei unabhängigen Experimenten erzielt.

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a, Hauptkomponentenanalyse (PCA) zwischen Wildtyp (WT) und Rohan. b: Metaboliten-Ranglistenprofil basierend auf log2 (Fold Change) und p-Wert zwischen Wildtyp und Rohan. c, Verteilung unterschiedlicher Metaboliten. Rot steht für eine Aufwärtsregulierung in Rohan, während Blau für eine Abwärtsregulierung steht. d, KEGG-Klassifizierung unterschiedlicher Metaboliten zwischen WT und Rohan. e, KEGG-Anreicherungsanalyse unterschiedlicher Metaboliten zwischen WT und Rohan.

a, Gehalt an freien Aminosäuren in den Wurzeln von Wildtyp (WT), Rohan und Rohan-C1, behandelt mit oder ohne 2,5 mM NH4+ für 6 Tage. Rohan-C1 ist eine komplementäre Linie des Rohan. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung von vier biologischen Wiederholungen dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede im Vergleich zu WT (zweiseitiger Student-T-Test), ND, nicht erkannt an. b,c, Wurzelphänotyp (b) und relative Länge der Samenwurzeln (SR) (c) von WT- und Rohan-Sämlingen, die 6 Tage lang unter den angegebenen Behandlungen gezüchtet wurden. Die weiße gepunktete Linie zeigt die Position der Wurzelspitze, als die Sämlinge auf Medien übertragen wurden, die mit den angegebenen Chemikalien versehen waren. Maßstabsbalken, 1 cm. Die Daten stellen die Mittelwerte ± Standardabweichung dar (die Zahlen in den Spalten stellen die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge dar), und die Buchstaben bezeichnen signifikante Unterschiede (P < 0,05, durch einfache ANOVA, gefolgt von Duncan-Test). d, Relative Länge der Samenwurzeln (SR) von WT- und Rohan-Sämlingen, die 6 Tage lang unter den angegebenen N-Bedingungen mit unterschiedlichen Konzentrationen von Gln, MSO und Arg behandelt wurden. Boxplot, Median (Mittellinie), obere/untere Quartile (Box), Minimum/Maximum (Whisker) (n gibt die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge an) und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede im Vergleich zu WT oder Rohan unter Kontrollbehandlung (0 mM Gln) an , MSO oder Arg) (zweiseitiger Student-t-Test, *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001 und ****P < 0,0001). Ähnliche Ergebnisse wurden in drei unabhängigen Experimenten erzielt.

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a, Venn-Diagramm, das die Anzahl der unterschiedlich exprimierten Gene zeigt, die durch eine 2,5 mM NH4+-Behandlung in den Wurzelspitzen von Wildtyp (WT) und Rohan beeinflusst werden. b: Gen-Set-Anreicherungsanalyse unterschiedlich exprimierter Gene basierend auf GO- und KEGG-Datenbanken zwischen Wildtyp und Rohan. c, GSEA-Ergebnisse von Gensätzen im Zusammenhang mit dem Stickstoffstoffwechsel in Rohan im Vergleich zu WT unter eintägiger und dreitägiger Behandlung mit 2,5 mM NH4+, Permutationstest, zweiseitig. d, Heatmap der Z-Score-Werte aus der Expressionshäufigkeit von Genen, die mit dem Stickstoffstoffwechsel assoziiert sind. Jede Behandlung ist eine Spalte, während jede Zeile ein Gen ist. Die Farbe reichte von Rot für positive Z-Score-Werte bis Blau für negative Werte. e, Relatives Expressionsniveau der angegebenen Gene in den Wurzelspitzen von WT- und Rohan-Sämlingen, die 3 Tage lang mit oder ohne 2,5 mM NH4+ behandelt wurden. Die Daten stellen die Mittelwerte ± se von drei biologischen Wiederholungen dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede an (zweiseitiger Student-T-Test).

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Relative Expressionsniveaus der angegebenen Protonenfluss-assoziierten Gene in den Wurzelspitzen von Wildtyp- (WT) und Rohan-Sämlingen, die 3 Tage lang mit oder ohne 2,5 mM NH4+ behandelt wurden. Die Daten stellen die Mittelwerte ± se von drei biologischen Wiederholungen dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede an (zweiseitiger Student-T-Test).

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a, GSEA-Ergebnisse von Gensätzen im Zusammenhang mit der Signaltransduktion von Pflanzenhormonen in Rohan im Vergleich zum Wildtyp (WT) unter eintägiger und dreitägiger Behandlung mit hohem NH4+-Gehalt, Permutationstest, zweiseitig. b, Quantifizierung des Gehalts an freier IAA in den Wurzeln von WT-, Rohan- und Rohan-C1-Sämlingen (Komplementärlinie der Rohan), die 6 Tage lang mit oder ohne 2,5 mM NH4+, 0,3 mM Gln, 0,3 mM Arg und deren Kombination behandelt wurden. Die Daten stellen die Mittelwerte ± Standardabweichung von 5 biologischen Replikaten dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede im Vergleich zum WT (zweiseitiger Student-T-Test) an. ND, nicht erkannt. c, Expressionsmuster von DR5rev:3xVENUS-N7 in den Wurzelspitzen von WT- und Rohan-Sämlingen, die 48 Stunden lang unter N-freien Bedingungen gezüchtet wurden (bezogen auf Abb. 4d). Die weißen und grünen Pfeilspitzen zeigen St (Stele) bzw. Ep (Epidermis). Ähnliche Ergebnisse wurden in drei unabhängigen Experimenten erzielt. Maßstabsbalken, 100 μm. d, Relative SR-Länge der Samenwurzeln (SR) von WT- und Rohan-Sämlingen, die mit NPA oder BUM behandelt wurden, unter N-freien Bedingungen für 6 Tage (bezogen auf Abb. 4g). Boxplot, Median (Mittellinie), obere/untere Quartile (Box), Minimum/Maximum (Whisker) (n gibt die Anzahl der behandelten einzelnen Sämlinge an) und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede zwischen WT und Rohan bei jeder BUM- oder NPA-Konzentration an ( zweiseitiger Student-T-Test). e, Relative Expressionsniveaus von PINs an der Wurzelspitze von WT- und Rohan-Sämlingen unter 2,5 mM NH4+-Behandlungen für 3 Tage. Die Daten stellen die Mittelwerte ± se von drei biologischen Replikaten dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede an (zweiseitiger Student-T-Test). f, Skizzenkarte der Mutation der CRISPR-Knockout-Linien von PIN1a und PIN1b. Rote Dreiecke zeigen die Mutationszielstellen an. g, Quantifizierung des Gehalts an freier IAA in der Wurzel von WT- und pin1apin1b-Sämlingen, die 6 Tage lang mit oder ohne 2,5 mM NH4+ behandelt wurden. Die Daten stellen die Mittelwerte ± Standardabweichung von 5 biologischen Replikaten dar, und die Sternchen zeigen signifikante Unterschiede an (zweiseitiger Student-T-Test).

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Ergänzende Abbildungen 1–5.

Ergänzende Tabelle 1 Metabolitenprofilierung von Wildtyp- und Rohan-Sämlingen. Ergänzende Tabelle 2: Sequenzen der in dieser Studie verwendeten Primer.

Tabelle 1 Statistische Quelldaten für die Ergänzung Abb. 2. Tabelle 2 Statistische Quelldaten für die Ergänzung Abb. 3. Tabelle 3 Statistische Quelldaten für die Ergänzung Abb. 4. Tabelle 4 Statistische Quelldaten für die Ergänzung Abb. 5.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xie, Y., Lv, Y., Jia, L. et al. Der im Plastid lokalisierte Aminosäurestoffwechsel koordiniert die Ammoniumtoleranz von Reis und die Stickstoffnutzungseffizienz. Nat. Pflanzen (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01494-x

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Eingegangen: 24. März 2022

Angenommen: 19. Juli 2023

Veröffentlicht: 21. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-023-01494-x

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