Auxin metabolism and the modulation of plant growth

Resumo

Diante das mudanças climáticas globais, a agricultura enfrenta atualmente vários desafios sem precedentes. Para alcançar a segurança alimentar, é necessário compreender o programa de desenvolvimento desde a formação e germinação da semente, passando pelo estabelecimento inicial da plântula, até o crescimento da planta e a produtividade da cultura, a fim de aumentar a produção agrícola e garantir a sustentabilidade. A auxina natural, um grupo heterogêneo de ácidos carboxílicos aromáticos, é um dos hormônios vegetais mais importantes, mediando vários sinais de desenvolvimento endógenos e pistas ambientais exógenas que afetam profundamente praticamente todos os processos de crescimento e desenvolvimento das plantas. Deve haver um equilíbrio na dinâmica da auxina endógena entre síntese, influxo, efluxo, degradação, ligação ao receptor e sinalização downstream para modular as respostas das plantas. Embora os genes e as reações bioquímicas para o metabolismo da auxina endógena sejam bem compreendidos, o envolvimento da auxina no metabolismo central das plantas (por exemplo, fotossíntese e respiração) permanece pouco conhecido. No entanto, já se sabe que a auxina endógena atua como o principal regulador epigenético responsável pela expansão das células do mesofilo e, portanto, indiretamente, pela fotossíntese. Além disso, foram identificados fatores de resposta à auxina endógena que medeiam o metabolismo de açúcares e amido, bem como a tolerância a estresses abióticos, indicando que a auxina deve ser mais explorada como uma molécula-chave para melhorar o desempenho das plantas em condições normais e estressantes em culturas. Aqui, resumimos os avanços recentes na dissecação do metabolismo da auxina, sua importância no metabolismo central e discutimos as funções da auxina endógena no controle geral do crescimento vegetal. Fornecemos ainda uma visão geral do papel pivotal da auxina endógena e como mutações em diferentes vias de sinalização da auxina modulam os processos fotossintéticos e respiratórios, o que provavelmente é crucial para coordenar as respostas celulares.

Abstract

In the face of global climate change, several unprecedented challenges are currently faced by agriculture. To achieve food security, understanding the developmental program from seed formation and germination, through early seedling establishment until plant growth and crop yield, is required to increase agricultural production and ensure sustainability. Natural auxin, a heterogeneous group of aromatic carboxylic acids, is one of the most important plant hormones, mediating several endogenous developmental signals and exogenous environmental cues that profoundly affect virtually all plant growth and development processes. There must be a balance in endogenous auxin dynamics between synthesis, influx, efflux, degradation, receptor binding, and downstream signaling to modulate plants responses. While the genes and biochemical reactions for endogenous auxin metabolism are well understood, the involvement of auxin in plant central metabolism (e.g. photosynthesis and respiration) remains poorly known. Nevertheless, it is already known that endogenous auxin acts as the main epigenetic regulator responsible for mesophyll cell expansion and thus, indirectly, for photosynthesis. Furthermore, endogenous auxin response factors have been identified that mediate sugar and starch metabolism, as well as abiotic stress tolerance, indicating that auxin should be further explored as a key molecule to improve plant performance under normal and stressful conditions in crops. Here, we summarize recent advances in dissecting auxin metabolism, their importance on central metabolism, and discuss the functions of endogenous auxin in the overall control of plant growth. We further provide an overview of the pivotal role of endogenous auxin and how mutations in different auxin signaling modulate photosynthetic and respiratory processes, which is likely crucial for coordinating cellular responses.