Salt stress affects glutamine synthetase activity and mRNA accumulation on potato plants in an organ-dependent manner

Resumo

A assimilação do amônio em glutamina e glutamato é vital para o crescimento das plantas, pois esses são precursores de quase todos os compostos nitrogenados. O amônio pode ser assimilado em compostos orgânicos nitrogenados pela ação combinada de duas enzimas que compõem o ciclo glutamina sintetase (GS, EC 6.3.1.2) – glutamato sintase (Fd-GOGAT, EC 1.4.7.1; NADH-GOGAT, EC 1.4.1.14). O amônio também pode ser incorporado diretamente ao glutamato pela reação de aminação da glutamato desidrogenase (GDH, EC 1.4.1.2). No entanto, como a GDH reduz reversivelmente a desaminação do glutamato, sua função fisiológica in vivo permanece controversa. A batata foi classificada como moderadamente tolerante à salinidade. O GS da batata é codificado por uma pequena família multigênica que é regulada diferencialmente de forma dependente do órgão e da idade. Neste estudo, o efeito de concentrações crescentes de salinidade no solo na atividade da GS e nos níveis de acúmulo de mRNA específico do gene foi estudado em folhas e raízes de batata, bem como os parâmetros bioquímicos de proteína, clorofila, peroxidação lipídica e níveis de prolina, a fim de avaliar a gravidade do estresse imposto. Os dados obtidos sugerem que, quando as plantas de batata são submetidas ao estresse salino, ocorre um aumento da assimilação de amônio nas raízes, devido a um maior acúmulo de GS, juntamente com uma diminuição da assimilação nas folhas. Em relação ao acúmulo de mRNA específico do gene GS, também foi observada uma resposta dependente do órgão que contribui para a alteração detectada no metabolismo de assimilação do amônio. Essa resposta pode ser uma característica fundamental para futuras manipulações genéticas a fim de aumentar a produtividade das culturas em solos salinos. Também foi investigada a possível contribuição do GDH para a assimilação de amônia.

Abstract

Ammonium assimilation into glutamine and glutamate is vital for plant growth as these are precursors for almost all nitrogenous compounds. Ammonium can be assimilated onto nitrogenous organic compounds by the concerted action of two enzymes that compose the glutamine synthetase (GS, EC 6.3.1.2) – glutamate synthase (Fd-GOGAT, EC 1.4.7.1; NADH–GOGAT, EC 1.4.1.14) cycle. Ammonium may also be directly incorporated into glutamate by the glutamate dehydrogenase (GDH, EC 1.4.1.2) aminating reaction. However, as GDH reversibly deaminates glutamate, its physiological role in vivo remains controversial. Potato has been classified as moderately tolerant to salinity. Potato GS is encoded by a small multigene family which is differentially regulated in an organ and age-dependent way. In this study, the effect of increasing concentrations of salinity in the soil in GS activity and gene-specific mRNA accumulation levels were studied on potato leaves and roots, as well as the biochemical parameters protein, chlorophyll, lipid peroxidation and proline levels, in order to evaluate the severity of the imposed stress. The data obtained suggests that when potato plants are subjected to salt stress, increased ammonium assimilation occurs in roots, due to an increased GS accumulation, along with a decreased assimilation in leaves. Regarding GS gene-specific mRNA accumulation, an organ-dependent response was also observed that contributes for the detected alteration in the ammonium assimilatory metabolism. This response may be a key feature for future genetic manipulations in order to increase crop productivity in salty soils. The possible contribution of GDH for ammonia assimilation was also investigated.