Mechanisms of potassium absorption by higher plant roots

Resumo

O potássio, como macronutriente vegetal, é acumulado nas células das plantas a partir de soluções relativamente diluídas do solo e é indispensável para muitos processos vitais. Os estudos que caracterizam a absorção de potássio pelas raízes se prolongaram por muitas décadas. No entanto, foi somente com a introdução de técnicas eletrofisiológicas e moleculares modernas que as investigações em nível molecular foram possíveis. Essas abordagens confirmaram a existência de sistemas discretos de captação de alta e baixa afinidade na membrana plasmática da raiz e melhoraram muito nossa compreensão da natureza molecular subjacente desses sistemas de captação.

A captação de K+ de alta afinidade a partir de níveis micromolares de K+ externo é acoplada ao transporte de H+, conforme demonstrado de forma independente por meio de patch clamping de protoplastos de raízes individuais e pelo estudo do sistema de transporte após a expressão em oócitos de Xenopus. A relação de acoplamento medida entre os dois íons é de 1:1 e é suficiente para explicar uma relação de acúmulo superior a 106, um valor que engloba observações experimentais sobre o acúmulo de K+.

A captação de K+ de baixa afinidade é ativada em níveis externos de K+ relativamente altos, na faixa milimolar, e é “passiva”, ou seja, diminui o gradiente eletroquímico de potássio. Em duas espécies de plantas superiores, foram identificadas correntes de entrada de potássio em uma única célula que estão associadas à captação de potássio de baixa afinidade. Além disso, foram identificados e caracterizados canais iônicos específicos subjacentes a esses influxos de potássio e que formam um componente importante da via de captação de potássio de baixa afinidade.

Abstract

Potassium, as a plant macronutrient, is accumulated in plant cells from relatively dilute soil solutions and is indispensable for many vital processes. Studies characterising potassium uptake by roots stretch back over many decades. However, it is only with the introduction of modern electrophysiological and molecular techniques that investigations have been possible at a molecular level. Such approaches have confirmed the existence of discrete high and low affinity uptake systems at the root plasma membrane and have greatly enhanced our understanding of the underlying molecular nature of these uptake systems.

High affinity K⁺ uptake from micromolar external K⁺ levels is coupled to H⁺ transport as demonstrated independently by patch clamping of single root protoplasts and by studying the transport system after expression in Xenopus oocytes. The measured coupling ratio between the two ions is 1:1 and is sufficient to account for an accumulation ratio in excess of 10⁶, a value which encompasses experimental observations on K⁺ accumulation.

Low affinity K⁺ uptake activates at relatively high external K⁺ levels in the millimolar range and is ‘passive’ i.e. down the electrochemical gradient for potassium. In two higher plant species single cell inward potassium currents have been identified which are associated with low affinity potassium uptake. Furthermore, specific ion channels which underlie these potassium influxes and form a major constituent of the low affinity potassium uptake pathway have been identified and characterised.