Διερεύνηση των προτύπων έκφρασης γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα της πορείας αφομοίωσης θειϊκών σε φυτά αραβοσίτου που αναπτύσσονται παρουσία του μυκορριζικού μύκητα Rhizophagus irregularis

Abstract

Τα φυτά προσλαμβάνουν το θείο (S) από το έδαφος με την μορφή των θειικών, τα οποία μέσω της αφομοιωτικού μονοπατιού του S χρησιμοποιούνται για τον σχηματισμό σημαντικών οργανικών θειούχων ενώσεων. Το ένζυμο αναγωγάση του αδενόσινο 5’-φωσφοροθειϊκό (APR) καταλύει την αναγωγή του APS σε θειώδη και θεωρείται ένα ενζυμο κλειδί για την ρύθμιση της αφομοίωσης του S, διότι ελέγχει την κατανομή του S μεταξύ του πρωτογενή και του δευτερογενή μεταβολισμoού, καθώς επίσης συντονίζει το μεταβολισμό του S με το μεταβολισμό του N και του C. Επιπλέον, είναι γνωστό πως η έκφραση του APR ελέγχεται αυστηρά ανάλογα με τις ανάγκες των φυτών σε οργανικό S. Επόμενο ένζυμο του μονοπατιού είναι η αναγωγάση των θειωδών (SiR), το οποίο καταλύει την αναγωγή των θειωδών σε ανιόν του θείου. Για το λόγο αυτό θεωρείται ως ένα «bottleneck» της αφομοίωσης του S, ενώ παράλληλα θεωρείται ότι προστατεύει τα κύτταρα από την τοξικότητα των θειωδών. Σε αυτή τη μελέτη μυκορριζικά και μη-μυκορριζικά φυτά (μαρτυράς) αναπτύχθηκαν για μεγάλο χρονικό διάστημα υπό συνθήκες έλλειψης S, ενώ ο σίδηρος χορηγήθηκε με την μορφή αδιάλυτου σιδήρου (FePO4). Μετά την πάροδο 60 ημερών χορηγήθηκε S στα φυτά με την μορφή των θειικών. Η βιοπληροφορική ανάλυση με τη χρήση της NCBI και MGDB έδειξε πως στο καλαμπόκι υπάρχουν 2 ισομορφές του ενζύμου APR, ενώ ένα μόνο αντίγραφο για το SiR. Έτσι, μελετήθηκαν τα πρότυπα έκφρασης των γονιδίων ZmAPRL1, ZmAPRL2 και ZmSiR στις πλάγιες ρίζες και στα νεαρά φύλλα των μυκορριζικών και μη μυκορριζικών φυτών πριν και μετά την χορήγηση S. Υπό συνθήκες έλλειψης S και οι 2 ισομορφές του ενζύμου APR ήταν στατιστικά σημαντικά υπερεκφρασμένες στα φύλλα των μυκορριζικών φυτών, υποδηλώνοντας τις υψηλότερες ανάγκες των φυτών για οργανικό S, πιθανά για να διατηρήσουν υψηλοτέρους ρυθμούς ανάπτυξης. Η προσθήκη θειικών οδήγησε σε μείωση της έκφρασης και των 2 γονιδίων στα φύλλα των μυκορριζικών φυτών. Συμφώνα με τα αποτελέσματα μας, δεν παρουσιάστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στην έκφραση του ZmSiR στα φύλλα των 2 μεταχειρίσεων πριν και μετά την χορήγηση S. Ακόμη, είναι φανερό πως η μακροχρόνια έλλειψη S οδήγησε σε επαγωγή της αφομοίωσης του S στις ρίζες των φυτών. Ωστόσο, την ημέρα 60 η σχετική έκφραση των ZmAPRL1 και ZmAPRL2 ήταν μεγαλύτερη στις ρίζες των μυκορριζικών φυτών σε σχέση με τα μη μυκορριζικά. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός πως οι ρίζες των μυκορριζικών και μη μυκορριζικών φυτών είχαν την αντίθετη απόκριση στην χορήγηση θειικών. Πιο συγκεκριμένα, η χορήγηση S είχε σαν αποτέλεσμα τη στατιστικά σημαντική επαγωγή της έκφρασης του ZmAPRL1 την ημέρα 62 στα φυτά του μάρτυρα, ενώ αντίθετα η έκφραση του ίδιου γονιδίου μειώθηκε στις μυκορριζικές ρίζες. Η παρατήρηση αυτή ίσως οφείλεται στην διαφορετική ικανότητα των φυτών να προσλάβουν τη αδιάλυτη μορφή του Fe, λόγω της πιθανής ύπαρξης ενός συμβιωτικού μονοπατιού πρόσληψης του Fe. Τέλος, είναι φανερό πως η ομοιόσταση του Fe επηρεάζει την πρόσληψη και αφομοίωση του S και το αντίστροφο.

Plants are mainly taking up sulfate from the soil solution, in order to synthesize essential organic sulfur compounds via the sulfate assimilation pathway. Adenosine 5’-phosphosulphate reductase (APR) catalyses the reduction of APS to sulfite and it is considered to be a key regulatory point in the plastidic sulfate assimilation and reduction because it plays o crucial role in sulfur partitioning between the primary and secondary metabolism and coordinates S, N, and C assimilation. In addition, it is known that the expression of APR is highly regulated according to a demand driven manner. Following this reaction, sulfite reductase (SiR) catalyses the reduction of sulfite to sulfide. Thus, it is considered as a bottleneck of the sulfate assimilation and its protecting role against sulfite toxicity has been recently discussed. In this study, non-mycorrhizal and mycorrhizal maize plants were grown in pots with sterile river sand, in a long term experiment. Iron was provided in the sparingly soluble form of FePO4. After a 60 days period of sulfur deficiency, sulfur was provided to the plants in the form of sulfate. The bioinformatics analysis using NCBI and MGDB revealed that there are two different APR isoforms in Zea mays, while SiR is a single copy gene. So, the expression profiles of ZmAPRL1, ZmAPRL2 and ZmSiR in the lateral roots and in the two young expanding leaves were monitored in both mycorrhizal and non-mycorrhizal plants, before and after the S supply. Both ZmAPRL1 and ZmAPRL2 were significantly over-expressed in the leaves of mycorrhizal plants before S supply, indicating that mycorrhizal plants were in higher need for reduced S, maybe in order to sustain higher growth rates. The supply of sulfate resulted in a significant down-regulation of both genes’ expression in the leaves of mycorrhizal plants. According to our results, there was no significant difference in the expression of ZmSiR between the two treatments prior and past sulfate supply. Moreover, it is clear that long term sulfate deprivation resulted in an induction of sulfur assimilation in the roots. However, on day 60 in the mycorrhizal roots the respective expression ratios were significantly higher than in the non-mycorrhizal plants. Interestingly, mycorrhizal and non-mycorrhizal plant showed an opposite response to sulfate supply. More specifically, the sulfur supply resulted in a significant up-regulation of ZmAPRL1 in the roots of non-mycorrhizal plant on day 62 whilst in the mycorrhizal roots the expression of this gene declined. This fact may be due to the different capability of the plant to acquire the soluble form of Fe because of a possible symbiotic Fe uptake pathway. In overall, our data sustain that Fe homeostasis regulates S uptake and assimilation and vice versa.