Aquaporins and their role in plant-microbial systems

Resumo

As perdas globais de produtos agrícolas por escassez de água podem ser maiores do que as decorrentes de todas as outras causas somadas. A deficiência hídrica nas plantas pode resultar de precipitação insuficiente, temperaturas do ar elevadas e outros fatores que reduzem a água disponível no solo. A maioria das plantas terrestres é capaz de formar simbiose com fungos micorrízicos arbusculares. A micorriza arbuscular desempenha papel-chave na nutrição mineral de muitas espécies vegetais terrestres. O transporte de água nas plantas é regulado principalmente pelas aquaporinas, proteínas transmembrana. As aquaporinas ajudam as plantas a economizar água, componente importante da estratégia de adaptação à escassez hídrica. Alguns estudos sugerem que os fungos micorrízicos arbusculares podem reduzir a expressão de genes de aquaporinas em plantas sob seca, o que diminui o transporte de água nos tecidos da planta hospedeira e conserva a água disponível. Por outro lado, há poucas evidências científicas sobre os mecanismos de interação entre as plantas e os fungos micorrízicos arbusculares na regulação das aquaporinas. Além disso, as informações de diferentes fontes sobre as funções das aquaporinas em diferentes espécies vegetais podem ser contraditórias. As aquaporinas vegetais são representadas por várias subfamílias, cujo número varia entre espécies. Um estudo mais abrangente desses transportadores pode ampliar a compreensão do transporte de água nas plantas e permitir avaliar como os fungos micorrízicos arbusculares podem influenciá-lo. Esta revisão reúne dados sobre o histórico dos estudos de estrutura, localização, filogenia e funções das aquaporinas. O avanço no estudo do funcionamento do sistema simbiótico pode contribuir para o desenvolvimento de biofertilizantes à base de microrganismos do solo para uso agrícola na Federação Russa.

Abstract

Global losses of agricultural products from water scarcity could be greater than from all other causes combined. Water deficiency in plants can result from insufficient precipitation, elevated air temperatures, and other factors that reduce the water available in the soil. Most terrestrial plants are able to form symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi. Arbuscular mycorrhiza plays a key role in the mineral nutrition of many terrestrial plant species. Water transport in plants is regulated primarily by aquaporins, transmembrane proteins. Aquaporins help plants save water, which is an important component of the plant’s adaptation strategy to water scarcity. Some studies suggest that arbuscular mycorrhizal fungi can decrease the expression of aquaporin genes in plants under drought conditions, which reduces water transport within host plant tissues and conserves available water. On the other hand, there is little scientific evidence of the interaction mechanisms between plants and arbuscular mycorrhizal fungi during aquaporin regulation. In addition, the information in different sources on the aquaporin functions in different plant species may be contradictory. Plant aquaporins are represented by several subfamilies; their number varies for different species. A more comprehensive study of these transporters can enhance our understanding of water transport in plants and assess how arbuscular mycorrhizal fungi can influence it. This review contains data on the history of studies of the structure, localization, phylogeny, and functions of aquaporins. Advancing the study of the symbiotic system functioning may contribute to the development of biofertilizers based on soil microorganisms for agricultural uses in the Russian Federation.