The CBL-Interacting Protein Kinase CIPK23 Regulates HAK5-Mediated High-Affinity K+ Uptake in Arabidopsis Roots

Resumo

O crescimento e o desenvolvimento das plantas exigem a aquisição eficiente de elementos essenciais. O potássio (K+) é um macronutriente importante presente na solução do solo em uma ampla gama de concentrações. A regulação dos sistemas de captação de K+ nas raízes é essencial para garantir o suprimento de K+. Foi demonstrado em Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) que, quando a concentração externa de K+ é muito baixa (<10 µm), a nutrição de K+ depende exclusivamente do transportador de K+ de alta afinidade (HAK5). A ativação transcricional induzida por baixa concentração de K+ do gene que codifica o HAK5 foi relatada anteriormente. Aqui, mostramos a regulação pós-transcricional da atividade de transporte do HAK5 por fosforilação. A expressão em um sistema heterólogo mostrou que os sensores de Ca2+ tipo calcineurina B (CBL1), CBL8, CBL9 e CBL10, juntamente com a proteína quinase de interação com CBL (CIPK23), ativaram o HAK5 in vivo. Essa ativação produziu um aumento na afinidade e no Vmax do transporte de K+. Experimentos in vitro mostram que o terminal N da HAK5 é fosforilado pela CIPK23. Isso corrobora a ideia de que a fosforilação do HAK5 induz uma alteração conformacional que aumenta sua afinidade por K+. Experimentos de captação de K+ (Rb+) e medições de crescimento em meio com baixo teor de K+ com mutantes simples de Arabidopsis hak5, akt1 e cipk23, mutantes duplos hak5 akt1, hak5 cipk23 e akt1 cipk23, e o mutante triplo hak5 akt1 cipk23 confirmaram a função reguladora do CIPK23 na planta.

Abstract

Plant growth and development requires efficient acquisition of essential elements. Potassium (K⁺) is an important macronutrient present in the soil solution at a wide range of concentrations. Regulation of the K⁺ uptake systems in the roots is essential to secure K⁺ supply. It has been shown in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) that when the external K⁺ concentration is very low (<10 µm), K⁺ nutrition depends exclusively on the high-affinity K⁺ transporter5 (HAK5). Low-K⁺-induced transcriptional activation of the gene encoding HAK5 has been previously reported. Here, we show the posttranscriptional regulation of HAK5 transport activity by phosphorylation. Expression in a heterologous system showed that the Ca²⁺ sensors calcineurin B-like (CBL1), CBL8, CBL9, and CBL10, together with CBL-interacting protein kinase23 (CIPK23), activated HAK5 in vivo. This activation produced an increase in the affinity and the V  _max of K⁺ transport. In vitro experiments show that the N terminus of HAK5 is phosphorylated by CIPK23. This supports the idea that phosphorylation of HAK5 induces a conformational change that increases its affinity for K⁺. Experiments of K⁺ (Rb⁺) uptake and growth measurements in low-K⁺ medium with Arabidopsis single mutants hak5, akt1, and cipk23, double mutants hak5 akt1, hak5 cipk23, and akt1 cipk23, and the triple mutant hak5 akt1 cipk23 confirmed the regulatory role of CIPK23 in planta.