Adaptation of root function by Nutrient-Induced plasticity of endodermal differentiation

Resumo

As raízes das plantas exploram o solo em busca de minerais cujas concentrações podem estar em ordens de magnitude distantes das necessárias para a função celular. A absorção seletiva em organismos multicelulares requer criticamente epitélios com barreiras de difusão extracelular. Nas plantas, essa barreira é fornecida pela endoderme e suas faixas de Caspary — impregnações da parede celular análogas às junções de oclusão e aderência dos animais. Curiosamente, a endoderme sofre diferenciação secundária, tornando-se revestida com suberina hidrofóbica, presumivelmente mudando de um epitélio de absorção ativa para um epitélio de proteção. Aqui, mostramos que a suberização responde a uma ampla gama de estresses nutricionais, mediada pelos hormônios de estresse ácido abscísico e etileno. Revelamos uma capacidade notável da raiz não apenas de regular a síntese de suberina, mas também de degradá-la seletivamente em resposta ao etileno. Finalmente, demonstramos que as mudanças na suberização constituem respostas adaptativas fisiologicamente relevantes, apontando para um papel fundamental da membrana endodérmica na homeostase de nutrientes.

Abstract

Plant roots forage the soil for minerals whose concentrations can be orders of magnitude away from those required for plant cell function. Selective uptake in multicellular organisms critically requires epithelia with extracellular diffusion barriers. In plants, such a barrier is provided by the endodermis and its Casparian strips—cell wall impregnations analogous to animal tight and adherens junctions. Interestingly, the endodermis undergoes secondary differentiation, becoming coated with hydrophobic suberin, presumably switching from an actively absorbing to a protective epithelium. Here, we show that suberization responds to a wide range of nutrient stresses, mediated by the stress hormones abscisic acid and ethylene. We reveal a striking ability of the root to not only regulate synthesis of suberin, but also selectively degrade it in response to ethylene. Finally, we demonstrate that changes in suberization constitute physiologically relevant, adaptive responses, pointing to a pivotal role of the endodermal membrane in nutrient homeostasis.