Increased Phloem Transport of S-Methylmethionine Positively Affects Sulfur and Nitrogen Metabolism and Seed Development in Pea Plants

Resumo

As sementes de leguminosas são importantes fontes de energia e alimento para humanos e animais. No entanto, o rendimento e a qualidade sementes de leguminosas são limitadas pela quantidade de enxofre (S) particionada para as sementes. O aminoácido S-metilmetionina (SMM), um derivado da metionina, foi proposto como uma importante forma de transporte de S reduzido a longa distância, e analisamos se o carregamento do floema com SMM e a translocação fonte-dreno são importantes para o metabolismo e crescimento de plantas de ervilha (Pisum sativum). Plantas transgênicas foram produzidas nas quais a expressão de um transportador  de SMM de levedura, S-Metilmetionina Permease1 (MMP1, YLL061W), foi direcionado para o floema e sementes. A análise do exsudato do floema mostrou que as concentrações de SMM são elevados em plantas MMP1, sugerindo aumento da carga do floema. Além disso, estudos de expressão de genes envolvidos no transporte e metabolismo de S em órgãos de origem, bem como análises de seiva do xilema, sustentam que a absorção e assimilação de S são afetado positivamente nas raízes de MMP1. Concomitantemente, assimilação de nitrogênio (N) em perfis de aminoácidos de raízes e folhas e xilema
foram alteradas, resultando em aumento da carga de aminoácidos no floema. Ao investigar os efeitos do aumento de S e N transporte do floema no metabolismo da semente, descobrimos que os níveis de proteína foram melhorados nas sementes de MMP1. Além disso, mudanças no carregamento do floema de SMM afetou o crescimento da planta e o número de sementes, levando a um aumento geral no teor de S, N e proteína da semente em plantas MMP1. Juntos, esses resultados sugerem que o carregamento do floema e a partição fonte-dreno do SMM são importantes para metabolismo e transporte de S e N da planta, bem como o conjunto de sementes.

Abstract

Seeds of grain legumes are important energy and food sources for humans and animals. However, the yield and quality of legume seeds are limited by the amount of sulfur (S) partitioned to the seeds. The amino acid S-methylmethionine (SMM), a methionine derivative, has been proposed to be an important long-distance transport form of reduced S, and we analyzed whether SMM phloem loading and source-sink translocation are important for the metabolism and growth of pea (Pisum sativum) plants. Transgenic plants were produced in which the expression of a yeast SMM transporter, S-Methylmethionine Permease1 (MMP1, YLL061W), was targeted to the phloem and seeds. Phloem exudate analysis showed that concentrations of
SMM are elevated in MMP1 plants, suggesting increased phloem loading. Furthermore, expression studies of genes involved in S transport and metabolism in source organs, as well as xylem sap analyses, support that S uptake and assimilation are positively affected in MMP1 roots. Concomitantly, nitrogen (N) assimilation in root and leaf and xylem amino acid profiles were changed, resulting in increased phloem loading of amino acids. When investigating the effects of increased S and N phloem transport on seed metabolism, we found that protein levels were improved in MMP1 seeds. In addition, changes in SMM phloem loading affected plant growth and seed number, leading to an overall increase in seed S, N, and protein content in MMP1 plants. Together, these results suggest that phloem loading and source-sink partitioning of SMM are important for plant S and N metabolism and transport as well as seed set.