Sulfate is incorporated into cysteine to trigger ABA production and stomatal closure

Resumo

As plantas fecham os estômatos quando a disponibilidade de água nas raízes se torna limitante. Estudos recentes demonstraram que a seca do solo induz o transporte de sulfato das raízes para a parte aérea via xilema e que o sulfato fecha os estômatos. Aqui, fornecemos evidências para uma via de sinalização fisiologicamente relevante que subjaz ao fechamento estomático induzido por sulfato em Arabidopsis thaliana. Descobrimos que, nas células-guarda, o sulfato ativa NADPH oxidases para produzir espécies reativas de oxigênio (ROS) e que essa indução de ROS é essencial para o fechamento estomático induzido por sulfato. Em linha com a função das ROS como segundo mensageiro da sinalização do ácido abscísico (ABA), o sulfato não induz ROS no mutante de síntese de ABA, aba3-1, e as ROS induzidas por sulfato foram ineficazes no fechamento dos estômatos no mutante insensível a ABA abi2-1 e em um mutante com perda de função do SLOW ANION CHANNEL1. Fornecemos evidências diretas para o acúmulo de ABA induzido por sulfato no citosol das células-guarda por meio da aplicação do sensor de ABA ABAleon2.1, do repórter de sinalização de ABA ProRAB18:GFP e da quantificação de genes marcadores endógenos de ABA. Em concordância com estudos anteriores, que mostraram que o ABA DEFICIENT3 usa Cys como substrato para a ativação da enzima ABSCISIC ALDEHYDE OXIDASE3 (AAO3) que catalisa a última etapa da produção de ABA, demonstramos que a assimilação de sulfato em Cys é necessária para o fechamento estomático induzido por sulfato e que a alimentação com sulfato ou Cys induz a transcrição de NINE-CIS-EPOXYCAROTENOID DIOXYGENASE3, limitando a síntese do substrato da AAO3. Consequentemente, mutantes com depleção da síntese de Cys são sensíveis à seca do solo devido ao aumento da perda de água. Nossos dados demonstram que o sulfato é incorporado em Cys e ajusta a biossíntese de ABA nas folhas, promovendo o fechamento estomático, e que esse mecanismo contribui para a resposta fisiológica à limitação de água.

Abstract

Plants close stomata when root water availability becomes limiting. Recent studies have demonstrated that soil-drying induces root-to-shoot sulfate transport via the xylem and that sulfate closes stomata. Here we provide evidence for a physiologically relevant signaling pathway that underlies sulfate-induced stomatal closure in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). We uncovered that, in the guard cells, sulfate activates NADPH oxidases to produce reactive oxygen species (ROS) and that this ROS induction is essential for sulfate-induced stomata closure. In line with the function of ROS as the second-messenger of abscisic acid (ABA) signaling, sulfate does not induce ROS in the ABA-synthesis mutant, aba3-1, and sulfate-induced ROS were ineffective at closing stomata in the ABA-insensitive mutant abi2-1 and a SLOW ANION CHANNEL1 loss-of-function mutant. We provided direct evidence for sulfate-induced accumulation of ABA in the cytosol of guard cells by application of the ABAleon2.1 ABA sensor, the ABA signaling reporter ProRAB18:GFP, and quantification of endogenous ABA marker genes. In concordance with previous studies, showing that ABA DEFICIENT3 uses Cys as the substrate for activation of the ABSCISIC ALDEHYDE OXIDASE3 (AAO3) enzyme catalyzing the last step of ABA production, we demonstrated that assimilation of sulfate into Cys is necessary for sulfate-induced stomatal closure and that sulfate-feeding or Cys-feeding induces transcription of NINE-CIS-EPOXYCAROTENOID DIOXYGENASE3, limiting the synthesis of the AAO3 substrate. Consequently, Cys synthesis-depleted mutants are sensitive to soil-drying due to enhanced water loss. Our data demonstrate that sulfate is incorporated into Cys and tunes ABA biosynthesis in leaves, promoting stomatal closure, and that this mechanism contributes to the physiological water limitation response.