Signalling and regulation of plant development by carbon/nitrogen balance

Resumo

Os dois macronutrientes mais abundantes nas células vegetais são o carbono (C) e o nitrogênio (N). A coordenação de seus metabolismos celulares é um fator fundamental para garantir o crescimento e desenvolvimento ideais das plantas. A disponibilidade e a assimilação de N afetam profundamente a expressão gênica das plantas e modulam a arquitetura da raiz e do caule, afetando assim o crescimento de toda a planta e a produtividade das culturas. O status de N também afeta a fixação de C, pois é um componente importante do maquinário fotossintético nas folhas. Reciprocamente, o aumento do suprimento de C promove a absorção e a assimilação de N. Há um vasto conhecimento sobre os diferentes mecanismos que as plantas utilizam para perceber e sinalizar seu status nutricional para regular a assimilação, o metabolismo e o transporte de C e N. No entanto, a interação entre as vias de C e N tem recebido muito menos atenção. O crescimento e o desenvolvimento das plantas são grandemente afetados pelo equilíbrio C/N subótimo, que pode surgir de deficiências de nutrientes ou/e de sinais ambientais. Mecanismos que integram e respondem a mudanças nesse equilíbrio nutricional específico começaram a surgir. Esta revisão examinará as respostas específicas ao desequilíbrio C/N em plantas, focando nos principais metabólitos inorgânicos e orgânicos envolvidos, em como eles são percebidos e transportados, e na interconexão entre os componentes de sinalização precoce e as redes hormonais que fundamentam as respostas adaptativas das plantas.

Abstract

The two most abundant macronutrients in plant cells are carbon (C) and nitrogen (N). Coordination of their cellular metabolism is a fundamental factor in guaranteeing the optimal growth and development of plants. N availability and assimilation profoundly affect plant gene expression and modulate root and stem architecture, thus affecting whole plant growth and crop yield. N status also affects C fixation, as it is an important component of the photosynthetic machinery in leaves. Reciprocally, increasing C supply promotes N uptake and assimilation. There is extensive knowledge of the different mechanisms that plants use for sensing and signalling their nutritional status to regulate the assimilation, metabolism and transport of C and N. However, the crosstalk between C and N pathways has received much less attention. Plant growth and development are greatly affected by suboptimal C/N balance, which can arise from nutrient deficiencies or/and environmental cues. Mechanisms that integrate and respond to changes in this specific nutritional balance have started to arise. This review will examine the specific responses to C/N imbalance in plants by focusing on the main inorganic and organic metabolites involved, how they are sensed and transported, and the interconnection between the early signalling components and hormonal networks that underlies plants’ adaptive responses.