Αναπρογραμματισμός του μεταβολισμού του Lotus japonicus σε μεταγραφικό, βιοχημικό και μεταβολομικό επίπεδο κατά τη συμβιωτική αζωτοδέσμευση

Abstract

Η συμβιωτική αζωτοδέσμευση στα ψυχανθή λαμβάνει χώρα σε εξειδικευμένα όργανα που ονομάζονται φυμάτια, τα οποία αποτελούν την κύρια πηγή αφομοιωμένου αζώτου για ολόκληρο το φυτό. Η διαδικασία της συμβιωτικής αζωτοδέσμευσης απαιτεί απόλυτη ενσωμάτωση και στενή αλληλεπίδραση του φυτικού και του ριζοβιακού μεταβολισμού και περιλαμβάνει σημαντικές αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση και τη συσσώρευση μεταβολιτών τόσο στο ριζόβιο όσο και στο φυτό. Με σκοπό τη μελέτη των μεταβολικών αλλαγών σε επίπεδο φυτού, οι οποίες προκαλούνται από τη συμβιωτική αζωτοδέσμευση προσδιορίστηκαν με τη βοήθεια της αέριας χρωματογραφίας-φασματομετρίας μαζών. τα επίπεδα μεταβολιτών σε φυμάτια και μη συμβιωτικά όργανα φυτών Lotus japonicus που είτε δεν εμβολιάστηκαν είτε εμβολιάστηκαν με το M. loti άγριου τύπου, ή τα fix- στελέχη ΔnifA και ΔnifH. Επιπρόσθετα, μεταγραφομικές και βιοχημικές προσεγγίσεις συνδυάστηκαν για να μελετηθεί ο μεταβολισμός του θείου στα φυμάτια, η σύνδεσή του με τη συμβιωτική αζωτοδέσμευση και η επίδραση των φυματίων στην κατανομή και το μεταβολισμό του θείου σε ολόκληρο το φυτό. Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι ο μεταβολισμός του θείου και του αζώτου είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι και ότι το θείο είναι απαραίτητο για τη συμβιωτική αζωτοδέσμευση, ωστόσο, λίγα είναι γνωστά για τους μοριακούς και βιοχημικούς μηχανισμούς που διέπουν την πρόσληψη και την αφομοίωση του θείου κατά τη διαδικασία αυτή. Η μελέτη του μεταγραφικού προτύπου συνδυάστηκε με τον προσδιορισμό της δραστικότητας της αναγωγάσης του APS, καθώς και των επιπέδων μεταβολιτών που περιέχουν θείο σε φυμάτια και μη συμβιωτικά όργανα φυτών που είτε δεν εμβολιάστηκαν είτε εμβολιάστηκαν με το M. loti άγριου τύπου, ή τα fix- στελέχη ΔnifA και ΔnifH. Επιπλέον, αναλύθηκε η πρόσληψη και η κατανομή των θειικών στα διάφορα φυτικά όργανα και παρακολουθήθηκε η 35S-ροή στις διαφορετικές S-δεξαμενές. Το μεταβολομικό πρότυπο αποκάλυψε ότι η εγκαθίδρυση της συμβιωτικής αζωτοδέσμευσης έχει ως αποτέλεσμα τη δραματική διαφοροποίηση πολλών πτυχών του πρωτογενούς και δευτερογενούς μεταβολισμού στα αζωτοδεσμευτικά φυμάτια, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε ολικό αναπρογραμματισμό του μεταβολισμού του ψυχανθούς-μοντέλου Lotus japonicus σε επίπεδο ολόκληρου του φυτού. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι τα αζωτοδεσμευτικά φυμάτια αντιπροσωπεύουν ένα πλούσιο σε θειόλες όργανο. Η υψηλή δραστικότητα της αναγωγάσης του APS και η υψηλή 35S-ροη προς την κυστεΐνη και τους μεταβολίτες της σε συνδυασμό με τη μεταγραφική επαγωγή πολλών γονιδίων που εμπλέκονται στην αφομοίωση του θείου αναδεικνύουν τη λειτουργία των φυματίων ως μια νέα θέση αφομοίωσης θείου. Η υψηλότερη συγκέντρωση θειολών που παρατηρήθηκε στα μη-συμβιωτικά όργανα των αζωτοδεσμευτικών φυτών σε σύγκριση με αυτά των μη εμβολιασμένων φυτών δεν μπορεί να αποδοθεί στην τοπική βιοσύνθεσή τους υποδεικνύοντας ότι τα φυμάτια αποτελούν μία νέα πηγή ανηγμένου θείου για το φυτό, γεγονός που προκαλεί τον αναπρογραμματισμό του μεταβολισμού του θείου σε επίπεδο ολόκληρου του φυτού. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ότι οι αλλαγές του μεταβολομικού προτύπου και η αυξημένη βιοσύνθεση θειολών στα φυμάτια, καθώς και η επίδρασή τους στην οικονομία του θείου, του άνθρακα και του αζώτου ολόκληρου του φυτού δεν παρατηρήθηκαν στα fix- φυτά, τα οποία στις περισσότερες περιπτώσεις μοιάζουν μεταβολικά με τα μη εμβολιασμένα φυτά, υποδεικνύοντας μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ της συμβιωτικής αζωτοδέσμευσης και του μεταβολισμού του θείου και του άνθρακα.

Symbiotic nitrogen fixation in legumes takes place in specialized organs called nodules, which become the main source of assimilated nitrogen for the whole plant. Symbiotic nitrogen fixation requires exquisite integration of plant and bacterial metabolism and involves global changes in gene expression and metabolite accumulation in both rhizobia and the host plant. In order to study the metabolic changes mediated by symbiotic nitrogen fixation on a whole-plant level, metabolite levels were profiled by gas chromatography–mass spectrometry in nodules and non-symbiotic organs of Lotus japonicus plants uninoculated or inoculated with M. loti wt, ΔnifA or ΔnifH fix- strains. Furthermore, transcriptomic and biochemical approaches were combined to study sulfur metabolism in nodules, its link to symbiotic nitrogen fixation, and the effect of nodules on whole-plant sulfur partitioning and metabolism. It is well established that nitrogen and sulfur (S) metabolism are tightly entwined and sulfur is required for symbiotic nitrogen fixation, however, little is known about the molecular and biochemical mechanisms governing sulfur uptake and assimilation during symbiotic nitrogen fixation. Transcript profiling in Lotus japonicus was combined with quantification of S-metabolite contents and APR activity in nodules and in non-symbiotic organs of plants uninoculated or inoculated with M. loti wt, ΔnifA or ΔnifH fix- strains. Moreover, sulfate uptake and its distribution into different plant organs were analyzed and 35S-flux into different S-pools was monitored. Metabolite profiling revealed that symbiotic nitrogen fixation results in dramatic changes of many aspects of primary and secondary metabolism in nodules which leads to global reprogramming of metabolism of the model legume on a whole-plant level. Moreover, our data revealed that nitrogen fixing nodules represent a thiol-rich organ. Their high APR activity and 35S-flux into cysteine and its metabolites in combination with the transcriptional up-regulation of several genes involved in sulfur assimilation highlight the function of nodules as a new site of sulfur assimilation. The higher thiol content observed in non-symbiotic organs of nitrogen fixing plants in comparison to uninoculated plants cannot be attributed to local biosynthesis, indicating that nodules could serve as a novel source of reduced sulfur for the plant, which triggers whole-plant reprogramming of sulfur metabolism. Interestingly, the changes in metabolite profiling and the enhanced thiol biosynthesis in nodules and their impact on the whole-plant sulfur, carbon and nitrogen economy are dampened in fix- plants, which in most respects metabolically resembled uninoculated plants, indicating a strong interaction between nitrogen fixation and sulfur and carbon metabolism.