Variation in Molybdenum Content Across Broadly Distributed Populations of Arabidopsis thaliana Is Controlled by a Mitochondrial Molybdenum Transporter (MOT1)

Resumo

O Molibdênio (Mo) é um micronutriente essencial para as plantas, servindo como cofator para enzimas envolvidas na assimilação de nitrato, desintoxicação de sulfito, biossíntese de ácido abscísico e degradação de purinas. Aqui mostramos que a variação natural no conteúdo de Mo em 92 acessos na parte aérea de Arabidopsis thaliana é controlada pela variação em um transportador localizado na mitocôndria (Transportador de Molibdênio 1 – MOT1) que pertence à superfamília dos transportadores de sulfato. Uma deleção no promotor do MOT1 está fortemente associada com baixo Mo na parte aérea, ocorrendo em sete dos acessos com o menor conteúdo de Mo na parte aérea. Consistente com o fenótipo de baixo Mo, a expressão de MOT1 nos acessos com baixo Mo é reduzida. Experimentos de enxertia recíproca demonstram que as raízes de Ler-0 são responsáveis pela baixa acumulação de Mo na parte aérea, e a localização de beta-glucuronidase (GUS) demonstra que MOT1 é fortemente expresso nas raízes. MOT1 contém uma sequência de direcionamento mitocondrial N-terminal e a expressão de MOT1 marcada com proteína verde fluorescente (GFP) em protoplastos e plantas transgênicas estabelece a localização mitocondrial desta proteína. Além disso, a expressão de MOT1 especificamente aumenta a acumulação de Mo em leveduras em 5 vezes, consistente com a função de MOT1 como um transportador de molibdato. Este trabalho fornece a primeira visão molecular sobre os processos que regulam a acumulação de Mo em plantas e mostra que novos loci podem ser detectados por mapeamento de associação.

Abstract

Molybdenum (Mo) is an essential micronutrient for plants, serving as a cofactor for enzymes involved in nitrate assimilation, sulfite detoxification, abscisic acid biosynthesis, and purine degradation. Here we show that natural variation in shoot Mo content across 92 Arabidopsis thaliana accessions is controlled by variation in a mitochondrially localized transporter (Molybdenum Transporter 1 – MOT1) that belongs to the sulfate transporter superfamily. A deletion in the MOT1 promoter is strongly associated with low shoot Mo, occurring in seven of the accessions with the lowest shoot content of Mo. Consistent with the low Mo phenotype, MOT1 expression in low Mo accessions is reduced. Reciprocal grafting experiments demonstrate that the roots of Ler-0 are responsible for the low Mo accumulation in shoot, and GUS localization demonstrates that MOT1 is expressed strongly in the roots. MOT1 contains an N-terminal mitochondrial targeting sequence and expression of MOT1 tagged with GFP in protoplasts and transgenic plants, establishing the mitochondrial localization of this protein. Furthermore, expression of MOT1 specifically enhances Mo accumulation in yeast by 5-fold, consistent with MOT1 functioning as a molybdate transporter. This work provides the first molecular insight into the processes that regulate Mo accumulation in plants and shows that novel loci can be detected by association mapping.