Glycinebetaine Biosynthesis in Response to Osmotic Stress Depends on Jasmonate Signaling in Watermelon Suspension Cells

Resumo

A glicina betaína é um importante osmoprotetor não tóxico, que é acumulado em plantas superiores sob vários estresses. A biossíntese de glicina betaína é alcançada via uma oxidação em duas etapas a partir de colina e betaína aldeído, catalisada por colina monooxigenase (CMO) e betaína aldeído desidrogenase (BADH), respectivamente. A expressão gênica aumentada de BADH e CMO induzida por estresse é claramente observada, mas a transdução de sinal é pouco compreendida. Aqui, o acúmulo de glicina betaína em resposta ao estresse osmótico e a recuperação do crescimento induzida por glicina betaína exógena foram observados em uma linhagem celular de melancia. Ao rastrear a sequência do genoma da melancia, verificou-se que existe apenas um membro de ClCMO ou ClBADH correspondente à biossíntese de glicina betaína. Ambos os genes possuem um motivo CGTCA em sua região promotora, que está envolvido na responsividade ao metil jasmonato (MeJA). Entre MeJA, Etefon, ácido abscísico (ABA) e ácido salicílico (SA), o MeJA foi o mais eficaz em induzir a expressão de ClCMO e ClBADH, e o acúmulo de glicina betaína também pôde atingir uma quantidade comparável àquela após estresse osmótico por manitol. Além disso, quando ibuprofeno (IBU), um inibidor da biossíntese de JA, foi pré-perfundido nas células antes do estresse osmótico, o acúmulo de glicina betaína foi suprimido significativamente. Curiosamente, células recém-crescidas podem manter um alto teor de glicina betaína quando são subcultivadas de células submetidas a estresse osmótico. Este estudo sugere que a biossíntese de glicina betaína induzida por estresse osmótico ocorre via transdução de sinal de JA e não apenas desempenha um papel fundamental na resistência ao estresse osmótico, mas também contribui para o endurecimento osmótico.

Abstract

Glycinebetaine is an important non-toxic osmoprotectant, which is accumulated in higher plants under various stresses. The biosynthesis of glycinebetaine achieved via is a two-step oxidation from choline and betaine aldehyde, catalyzed by choline monooxygenase (CMO) and betaine aldehyde dehydrogenase (BADH), respectively. Up-regulated gene expression of BADH and CMO induced by stress is clearly observed, but the signal transduction is poorly understood. Here, glycinebetaine accumulation in response to osmotic stress and growth recovery induced by exogenous glycinebetaine were observed in a watermelon cell line. When tracing back to the genome sequence of watermelon, it shows that there exists only one member of ClCMO or ClBADH corresponding to glycinebetaine biosynthesis. Both genes harbor a CGTCA-motif in their promoter region which is involved in methyl jasmonate (MeJA)-responsiveness. Amongst MeJA, Ethephon, abscisic acid (ABA), and salicylic acid (SA), MeJA was most effective in gene inducing the expression of ClCMO and ClBADH, and the accumulation of glycinebetaine could also reach an amount comparable to that after osmotic stress by mannitol. Moreover, when ibuprofen (IBU), a JA biosynthesis inhibitor, was pre-perfused into the cells before osmotic stress, glycinebetaine accumulation was suppressed significantly. Interestingly, newly grown cells can keep a high content of glycinebetaine when they are sub-cultured from osmotic stressed cells. This study suggests that osmotic stress induced glycinebetaine biosynthesis occurs via JA signal transduction and not only plays a key role in osmotic stress resistance but also contributes to osmotic stress hardening.