Plastyczność współdziałania metabolizmu azotu i węgla w niekorzystnych warunkach środowiska

• Autorzy: Starck Z.

Warianty tytułu

EN

Steps towards an integrated view of carbon and nitrogen assimilation and metabolism under unfortunate conditions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Szczególna uwaga jest zwrócona na integracyjne mechanizmy regulacji poziomu węgla i azotu С : N) w warunkach deficytu azotu lub ograniczonej ilości szkieletów węglowych wynikającej głównie z niskiej aktywności fotosyntezy. Regulacja krzyżujących się ciągów metabolicznych węgla i azotu, utrzymujących optymalny poziom С : N sugerują, że zawartość N organicznego w liściach jest wyrazem przystosowania roślin do napromieniowania w czasie ich wzrostu, wpływającego na intensywność fotosyntezy. W warunkach deficytu azotu rośliny uruchamiają różne mechanizmy zwiększenia pobierania i asymilacji azotanów lub jonów amonowych. Preferowany jest wzrost systemu korzeniowego, stymulowana synteza wydajnych transporterów jonów NO3- i/lub NH4+. Zarówno NO3- jak i cukry uczestniczą w przekazywaniu sygnałów na ciągi metaboliczne С i N. Aktywność enzymów, biorących udział w metabolizmie azotu (reduktaza azotanowa - NR i syntetaza glutaminy - GS) oraz węgla (syntetaza fosforanu sacharozy - SPS i karboksylaza fosfoenolo-pirogronianowa - PEPC) są w odmienny sposób regulowane przez fosforylacje ich białek i połączenie z białkiem 14-3-3. W wyniku aktywacji GS szkielety węglowe są w większym stopniu wykorzystywane do syntezy aminokwasów; obniżenie aktywności SPS powoduje hamowanie syntezy sacharozy. W skrajnych przypadkach deficytu azotu lecz przy intensywnej fotosyntezie, optymalny stosunek С : N utrzymywany jest poprzez obniżanie asymilacji CO2 (zamykanie szparek, hamowanie ekspresji tzw. genów fotosyntezy). W takich warunkach procesy życiowe limitowane są zarówno przez deficytowy poziom N jak i C, jednak utrzymywany jest właściwy stosunek С : N. W przypadku niedostatecznego napromieniowania lub innych warunków ograniczających fotosyntezę lecz przy dostatecznym zaopatrzeniu w azot, rośliny preferują wzrost liści i wszystkie procesy zwiększające asymilację CO2. Ograniczane może być nawet pobieranie N03- i asymilacja tego jonu w obawie przed gromadzeniem się w chloroplastach toksycznych azotynów. W takich warunkach powstają niekiedy tlenki azotu, które są wydzielane z liści do atmosfery, chroniąc rośliny przed akumulacją N02-. U niektórych gatunków roślin obficie zaopatrzonych w azot lub w warunkach zahamowanego wzrostu, np. na skutek suszy lub zranienia, w organach wegetatywnych, okresowo gromadzą się białka zapasowe (VSP). Jasmoniany akumulujące się w czasie stresów pośrednio stymulują ten proces poprzez ekspresję genów VSP w przeciwieństwie do auksyn, które hamują ekspresję genów VSP. Auksyny umożliwiają post stresową regenerację wzrostu.

EN

Special attention is paid to precise integration mechanism of С and N uptake, assimilation and metabolism under С or/and N starvation caused by various stresses. Cross-talk regulation between С and N pathway suggests, that the organic N content in the leaves is adjusted to irradiance during growth in order to obtain proper С : N ratio. In the case of N starvation plants cope with stress by regulation of N uptake e.g. synthesis of NH4+ or N03- transporters with high affinity. It is regulated on transcriptional and/or post-transcriptional levels by N03- and sugars as signalling molecules providing links between С and N pathways. Enzymes involved in С and N assimilation are diversely affected by their protein phosphorylation and binding with 14-3-3-proteins. It may divert С skeleton into synthesis of amino acids or carbohydrates. In the case, when up regulation of N uptake is not sufficient, recovery of proper С : N status may be obtained by down regulation of CO2, assimilation e.g. stomatal closure or repression of photosynthetic gene expression. Plants grown in insufficient light regimes or other conditions decreasing photosynthesis, enhance CO2; assimilation by preferential leaves growth and stimulation of photosynthetic gene expression. In some cases plants affect С : N ratio also by decrease of N uptake or even emission of NOx to the atmosphere. Nevertheless if plants growth in insufficient light conditions with low sugar content and in consequence decrease of N assimilation, they arę both С and N limited, but with proper С : N status. On the other hand plants of some species, with relatively high N content, but with low N demand for growth inhibited by water stress or wounding, N surplus is stored as vegetative storage proteins (VSP). Jasmonates accumulated under stress conditions induce VSP gene expression in contrast to auxins, involving in post-stress growth recovery.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych
• Rocznik: 2004
• Tom: 496
• Numer: 1
• Opis fizyczny: s.85-102,rys.,wykr.,bibliogr.

Twórcy

autor

Starck Z.

• Katedra Fizjologii Roślin, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, ul.Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa

Bibliografia

• Asakura Y., Hagino Т., Ohta Y., Aoki K., Yonekura-Sakakibara K., Deji A., Yamaya Т., Sugiyama Т., Sakakibara Н. 2003. Molecular characterization of His-Asp phospho- relay signaling factors in maize leaves: implications of the signal divergence by cytokinin-inducible response regulators in the cytosol nuclei. Plant Molecular Biol. 52: 331-341.
• Athwal G.S., Huber S.C. 2002. Divalent cations and polyamines bind to loop 8 of 14-3-3 proteins, modulating their interaction with phosphorylated nitrate reductase. Plant J. 29: 119-129.
• Brugiére N., Dubois F., Limami A.M., Lelandais M., Roux Y., Sangwan R.S., Hirel B. 1999. Glutamine synthetase in the phloem plays a major role in controlling proline production. Plant Cell 11: 1995-2011.
• Comparot S., Lingiah G., Martin Т. 2003. Function and specificity of 14-3-3 proteins in the regulation of carbohydrate and nitrogen metabolism. J. Exp. Bot. 54: 595-604.
• Cooke J.E.K., Brown K.A., Wu R. Davis J.M. 2003. Gene expression associated with N- induced shifts in resource allocation in poplar. Plant Cell Environment 26: 757-770.
• De Boer B. 1997. Fusicoccin - key to multiple 14-3-3 locks? Trends in Plant Science 2: 60-66.
• De Pinheiro Henriques A.R., Marcelis L.F.M. 2000. Regulation of growth at steadystate nitrogen nutrition in lettuce (Lactuca sativa L.): interactive effects of nitrogen and irradiance. Ann. Bot. 86: 1073-1080.
• Dean J.V., Harper J.E. 1988. The conversion of nitrate to nitrogen oxide(s) by the constitutive NAD(P)H-nitrate reductase enzyme from soybean. Plant Physiol. 88: 389-395.
• DeWald D.B., Sadka A., Mullet J.E. 1994. Sucrose modulation of soybean Vsp gene expression is inhibited by auxin. Plant Physiol. 104: 439-444.
• Dodd I.C., Tan L.P., He J. 2003. Do increases in xylem sap pH and/or ABA concentration mediate stomatal closure following nitrate deprivation? J. Exp. Bot. 54: 1281-1288.
• Ferrario-Mery S., Valadier М.Н., Foyer C.H. 1998. Overexpression of nitrate reductase in tobacco delays drought-induced decreases in nitrate reductase activity and mRNA. Plant Physiol. 117: 293-302.
• Fichtner K., Quick W.R, Schulze E.D., Mooney H.A., Rodermel S.R., Bogorad L., Stitt M. 1993. Decrease ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase in transgenic tobacco transformed with „antisens" rbcS. Planta 190: 1-9.
• Finnemann J., Schuoerring J.K. 2000. Post-translational regulation of cytosolic glutaminę synthetase by reversible phosphorylation and 14-3-3 protein interaction. Plant J. 24: 171-181.
• Forde B.G. 2000. Nitrate transporters in plants: structure, function and regulation. Bioch. Biophys. Acta 1465: 219-235.
• Forde B.G. 2002. Local and long-range signalling pathways regulating plant responses to nitrate. Annu. Rev. Plant Biol. 53: 203-224.
• Forde B.G., Cole J.A. 2003. Nitrate finds a place in the sun. Plant Physiol. 131: 395-400.
• Foyer C.H., Ferrario-Mery S., Huber S.C. 2000. Regulation of carbon fluxes in the cytosol: coordination of sucrose synthesis, nitrate reduction and organic acid and amino acid biosynthesis. Photosynthesis: physiology and metabolism. Leegood R.C., Sharkey T.D., Von Caemerer S. (Eds), Kluwer Academic Publishers. The Netherlands: 177-203.
• Foyer C.H., Noctor G., Lelandais M., Lescure J.C., Valadier M.H., Boutin J.R, Horton R 1994. Short-term effects of nitrate, nitrite and ammonium assimilation on phtosynthesis, carbon partitioning and protein phosphorylation in maize. Planta 192: 211-220.
• Foyer C.H., Parry M., Noctor G. 2003. Markers and signals associated with nitrogen assimilation in higher plants. J. Exp. Bot. 54: 585-593.
• Franceschi V.R., Giaquinta R.T. 1983. The paraveinal mesophyll of soybean leaves in relation to assimilate transfer and compartmentation. Planta 157: 422-431.
• Franceschi V.R., Grimes H.D. 1991. Induction of soybean vegetative storage proteins and anthocyanins by low-level atmospheric methyl jasmonate. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 6745-6749.
• Fuentes S.I., Allen D.J., Ortiz-Lopez A., Hernandez G. 2001. Over-expression of cytosolic glutamine synthetase increases photosynthesis and growth at low nitrogen concentrations. J. Exp. Bot. 52: 1071-1081.
• Garcia-Матa С., Lamattina L. 2003. Abscisic acid, nitric oxide and stomatal closure - is nitrate reductase one of the missing links? Trends in Plant Science 8: 20-26.
• Gazzarini S., Lejay L., Gojon A., Ninnemann O., Frommer W.B., von Wiren 1999. Three functional transporters for constitutive, diumally regulated, and starvation-induced uptake of ammonium into Arabidopsis roots. Plant Cell 11: 937-947.
• Goshima N., Mukai Т., Suemori M., Takahashi M., Caboche M., Morikawa H. 1999.
• Emission of nitrous oxide (N20) from transgenic tobacco expressing antisens NiR mRNA. Plant J. 19: 75-80.
• Grossman A., Takahashi H. 2001. Macronutrient utilization by photosynthetic euca- ryotes and the fabric of interactions. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 52: 163-210.
• Guo F.Q., Young J., Crawford N.M. 2003. The nitrate transporter AtNRTl.l (CHL1) functions in stomatal opening and contributes to drought susceptibility in Arabidopsis. Plant Cell 15: 107-117.
• Hwang I., Chen H.I., Sheen J. 2002. Two-component signal transduction pathways in Arabidopsis. Plant Physiol. 129: 500-515.
• Kaiser W.M., Weiner H., Kandlbinder A., Tsai C.B., Rockel R, Sonoda M., Planchet E. 2002. Modulation of nitrate reductase: some new insight, an unusual case and a potentially important side reaction. J. Exp. Bot. 53: 875-882.
• Klepper L. 1990. Comparison between NOx evolution mechanisms of wild-type and nr, mutant soybean leaves. Plant Physiol. 93: 26-32.
• Koch K.E. 1996. Carbohydrate-modulated gene expression in plants. Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant Mol. Biol. 47: 509-540.
• Koch K.E., Zeng Y. 2002. Molecular approaches to altered С partitioning: genes forsucrose metabolism. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 127: 474-483.
• Lersten N.R., Burbaker C.L. 1989. Paraveinal mesophyll and its relationship to vein ending in Solidago canadensis (Astraceae). Can. J. Bot. 67: 1429-1433.
• Lillo C. 1994. Light regulation of nitrate reductase in green leaves of higher plants. Physiol. Plant. 90: 616-620.
• Martin Т., Oswald O., Graham I.A. 2002. Arabidopsis seedling growth, storage lipid mobilisation, and photosyntlietic gene expression are regulated by carbon:nitrogen availability. Plant Physiol. 128: 472-481.
• Masclaux-Daubresse C., Valadier M.H., Carrayol E., Reisdorf-Cren M., Hirel B. 2002. Diurnal changes in the expression of glutamate dehydrogenase and nitrate reductase are involved in the CIN balance of tobacco source leaves. Plant, Cell, Environment 25: 1451-1462.
• McKersie B.D., Leshem Y.Y. 1994. Stress and stress coping in cultivated plants. Kluwer Acad. Publishers: 256 pp.
• Meuriot F., Avice J.C., Decau M.L., Simon J.C., Laine P, Volenec J.J., Ourry A. 2003.
• Accumulation of N reserves and vegetative storage proteins (VSP) in taproots of non-nodulated alfalfa (Medicago sativa L.) are affected by mineral N availability. Plant Sci. 165: 709-718.
• Morkunas I., Lehmann Т., Ratajczak W.,Ratajczak L.,Tomaszewska B. 2000. The involvement of glutamate dehydrogenase in the adaptation of mitochondria to oxidize glutamate in sucrose staived pea embryos. Acta Physiol. Plant. 22: 389-394.
• Muller В., Touraine В. 1992. Inhibition of NO3 uptake by various phloem-translocated amino acids in soybean seedlings. J. Exp. Bot. 43: 617-623.
• Neill S J., Desikan R., Hancock J.T. 2003. Nitric oxide signalling in plants. New Phytol. 159: 11-35.
• Okamoto M., Vidmar JJ., Glass A.D.M. 2003. Regulation of NRT1 and NRT2 gene families of Arabidopsis thaliana: responses to nitrate provision. Plant Cell Physiol. 44: 304-317.
• Orsel M., Filleur S., Fraisier V., Daniel-Vedele F. 2002. Nitrate transport in plants: which gene and which control? J. Exp. Bot. 53 : 825-833.
• Roberts M.R. 2003. 14-3-3 proteins find new partners in plant cell signalling. Trends in Plant Science 8: 218-223.
• Russin W.A., Evert R.E. 1984. Studies on the leaf of Populus deltoides (Salicaceae): morphology and anatomy. Amer. J. Bot. 71: 1398-1415.
• Sakakibara II., Taniguchi M., Sugiyama T. 2000. His-Asp phosphorelay signaling: a communication avenue between plants and their environment. Plant Molecular Biol. 42: 273-278.
• Saniewski M., Ueda J., Miyamoto K. 2002. Relationship between jasmonates and auxin in ragulation of some physiological processes in higher plants. Acta Physiol. Plant. 24: 211-220.
• Scheible W.R., Gonzalez-Fontes A., Lauerer M., Müller-Röber В., Caboche M., Stitt M. 1997a. Nitrate acts as a signal to induce organic acid metabolism and repress starch metabolism in tobacco. Plant Cell 9: 783-798.
• Scheible W.R., Laurerer M., Schulze F.D., Caboche M., Stitt M. 1997b. Accumulation of nitrate in the shoot acts as a signal to regulate shoot-root allocation intobacco. Plant J. 11: 671-691.
• Starck Z. 1995. Współzależność pomiędzy fotosyntezą i dystrybucją asymilatów a tolerancją roślin na niekorzystne warunki środowiska. Post. Nauk Roln. 3: 19-35.
• Starck Z. 2003. Transport i dystrybucja substancji pokarmowych w roślinach. Wyd. SGGW: 357 ss.
• Staswick R E., Huang J.-F. Rhee Y. 1991. Nitrogen and methyl jasmonate induction of soybean vegetative storage protein genes. Plant Physiol. 96: 130-136.
• Stępień K. 2002. Transdukcja sygnałów w komórce roślinnej pod wpływem stresów abiotycznych. Post. Biol. Komórki 29:595-612.
• Stitt M., Müller С., Matt R, Gibon Y., Carillo R, Morceuende R., Scheible W.R., Krapp A. 2002. Steps toward an integrated view of nitrogen metabolism. J. Exp. Bot. 53: 959-970.
• Stöhr С., Ullrich W.R. 2002. Generation and possible roles of NO in plant roots and their apoplastic space. J. Exp. Bot. 53: 2293-2303.
• Taiz L., Zeiger E. 1998. Plant Physiology. 2nd Ed. Sinauer Associate. Inc. Publishers, Sunderland, Massachusetts: 792 pp.
• Takei K., Takhashi Т., Sugiyama Т., Yamya Т., Sakakibara H. 2002. Multiple routes communicating nitrogen availability from roots to shoots: a signal tansduction pathway mediated by cytokinin. J. Exp. Bot. 53: 971-977.
• Tari I., Csiszar J. 2003. Effects of NOf and NOf supply on polyamine accumulation and ethylene production of wheat roots at acidic and neutral pH: implications for root growth. Plant Growth Regul. 40: 121-128.
• Von Wirren N., Gazzarini S., Gojon A., Frommer W.B. 2000. The molecular physiology of ammonium uptake and retrieval. Curr. Opin. Plant Biol. 3 : 254-261.
• Vincentz M., Moureaux Т., Leydecker M.T., Vaucheret H., Caboche M. 1993. Regulation of nitrate and nitrite reaductase expression in Nicotiana plumbaginifolia leaves by nitrogen and carbon metabolites. Plant J. 3: 315-324.
• Yaffe M.B. 2002. How do 14-3-3 proteins work? - Gatekeeper phosphoiylation and molecular anvil hypothesis. FEBS Letters 513: 53-57.