Glutamine rapidly induces the expression of key transcription factor genes involved in nitrogen and stress responses in rice roots

Resumo

A glutamina é o principal doador de aminoácidos para a síntese de aminoácidos, nucleotídeos e outros
compostos contendo nitrogênio em todos os organismos. Além de seu papel na nutrição e no metabolismo, a glutamina também pode funcionar como uma molécula de sinalização em bactérias, leveduras e seres humanos. Por outro lado, as funções da glutamina na nutrição e como molécula sinalizadora permanecem obscuras nas plantas.
Resultados: Demonstramos que a glutamina pode efetivamente promover o crescimento de mudas de arroz. Nas raízes de arroz tratadas com glutamina, os teores de glutamina aumentaram dramaticamente, enquanto os níveis de glutamato permaneceram relativamente constantes. A análise transcriptômica de raízes de arroz revelou que a glutamina induziu a expressão de pelo menos 35 genes envolvidos no metabolismo, transporte, transdução de sinal e respostas ao estresse em 30 minutos. Curiosamente, 10 dos 35 primeiros genes responsivos à glutamina codificam fatores de transcrição putativos, incluindo dois genes do tipo LBD37 que estão envolvidos na regulação do metabolismo do nitrogênio. A glutamina também induziu rapidamente a expressão dos genes dos fatores de transcrição DREB1A, IRO2 e NAC5, que estão envolvidos na regulação das respostas ao estresse.
Conclusões: Além de seu papel como combustível metabólico, a glutamina também pode funcionar como uma molécula sinalizadora para regular a expressão gênica em plantas. A rápida indução de genes do fator de transcrição sugere que a glutamina pode amplificar eficientemente seu sinal e interagir com outras vias de transdução de sinal para regular o crescimento da planta e as respostas ao estresse.
Assim, a glutamina é um aminoácido funcional que desempenha papéis importantes na nutrição vegetal e na transdução de sinais.

Abstract

Glutamine is a major amino donor for the synthesis of amino acids, nucleotides, and other
nitrogen-containing compounds in all organisms. In addition to its role in nutrition and metabolism, glutamine can also function as a signaling molecule in bacteria, yeast, and humans. By contrast, the functions of glutamine in nutrition and as a signaling molecule remain unclear in plants.
Results: We demonstrated that glutamine could effectively support the growth of rice seedlings. In glutaminetreatedrice roots, the glutamine contents increased dramatically, whereas levels of glutamate remained relatively constant. Transcriptome analysis of rice roots revealed that glutamine induced the expression of at least 35 genes involved in metabolism, transport, signal transduction, and stress responses within 30 min. Interestingly, 10 of the35 early glutamine responsive genes encode putative transcription factors, including two LBD37-like genes that are involved in the regulation of nitrogen metabolism. Glutamine also rapidly induced the expression of the DREB1A, IRO2, and NAC5 transcription factor genes, which are involved in the regulation of stress responses.
Conclusions: In addition to its role as a metabolic fuel, glutamine may also function as a signaling molecule to regulate gene expression in plants. The rapid induction of transcription factor genes suggests that glutamine may efficiently amplify its signal and interact with the other signal transduction pathways to regulate plant growth and stress responses.
Thus, glutamine is a functional amino acid that plays important roles in plant nutrition and signal transduction.