Early signaling, synthesis, transport and metabolism of ureides

Resumo

A simbiose entre Proteobactérias fixadoras de N₂ (família Rhizobiaceae) e leguminosas pertencentes à família Fabaceae resulta na formação de uma nova estrutura radicular chamada nódulo, onde o N₂ atmosférico é fixado em NH₃⁺. No tipo de nódulo determinado, encontrado em espécies de Fabaceae noduladas por Rhizobium, o NH₃⁺ recém-sintetizado é finalmente convertido em alantoína (C₄H₆N₄O₃) e ácido alantóico (C₄H₈N₄O₄) (ureídeos) por meio de vias complexas que envolvem pelo menos 20 enzimas diferentes atuando em dois tipos de células do nódulo com ultraestrutura contrastante. Os ureídeos recém-sintetizados são carregados na rede de vasos do xilema da raiz e transportados para os órgãos aéreos pela corrente de transpiração. Uma vez dentro das folhas, os ureídeos sofrem um processo enzimático reverso para produzir NH₄⁺, que é utilizado para o crescimento. Isso corrobora o papel dos ureídeos como compostos nitrogenados (N) chave para o crescimento e a produtividade de leguminosas noduladas por Rhizobium que crescem em solos com baixo teor de N. Assim, uma compreensão concreta dos mecanismos subjacentes à biogênese e ao catabolismo de ureídeos em leguminosas pode ajudar os agrobiólogos a alcançar maiores descobertas agrícolas. Nesta revisão, focamos no movimento transmembranar e transorganelar simplástico e apoplástico de precursores de N dentro dos nódulos, bem como na ocorrência, localização e propriedades das enzimas e genes envolvidos na biogênese e catabolismo de ureídeos. A síntese e o transporte de ureídeos não são eventos exclusivos em leguminosas N₂-fixadoras noduladas por Rhizobium. Assim, uma breve descrição da síntese e catabolismo de ureídeos em não leguminosas foi incluída para comparação. O estabelecimento da simbiose, a organogênese do nódulo e o controle da planta sobre o número de nódulos, a síntese e a translocação de ureídeos por meio de mecanismos de inibição por feedback também são revisados.

Abstract

The symbiosis between α nitrogen (N2)-fixing Proteobacteria (family Rhizobiaceae) and legumes belonging to the Fabaceae (a single phylogenetic group comprising three subfamilies: Caesalpinioideae, Mimosoideae and Papilionoideae) results in the formation of a novel root structure called a nodule, where atmospheric N2 is fixed into NH3+. In the determinate type of nodules harbored by Rhizobium-nodulated Fabaceae species, newly synthesized NH3+ is finally converted into allantoin (C4H6N4O3) and allantoic acid (C4H8N4O4) (ureides) through complex pathways involving at least 20 different enzymes that act synchronously in two types of nodule cells with contrasting ultrastructure, including the tree nodule cell organelles. Newly synthesized ureides are loaded into the network of nodule-root xylem vessels and transported to aerial organs by the transpirational water current. Once inside the leaves, ureides undergo an enzymatically driven reverse process to yield NH4+ that is used for growth. This supports the role of ureides as key nitrogen (N)-compounds for the growth and yield of legumes nodulated by Rhizobium that grow in soils with a low N content. Thus, a concrete understanding of the mechanisms underlying ureide biogenesis and catabolism in legumes may help agrobiologists to achieve greater agricultural discoveries. In this review we focus on the transmembranal and transorganellar symplastic and apoplastic movement of N-precursors within the nodules, as well as on the occurrence, localization and properties of enzymes and genes involved in the biogenesis and catabolism of ureides. The synthesis and transport of ureides are not unique events in Rhizobium-nodulated N2-fixing legumes. Thus, a brief description of the synthesis and catabolism of ureides in non-legumes was included for comparison. The establishment of the symbiosis, nodule organogenesis and the plant’s control of nodule number, synthesis and translocation of ureides via feed-back inhibition mechanisms are also reviewed.