Responses to Systemic Nitrogen Signaling in Arabidopsis Roots Involve trans-Zeatin in Shoots

Resumo

As plantas enfrentam variação temporal e espacial na disponibilidade de nitrogênio (N), incluindo heterogeneidade no conteúdo de nitrato (NO₃⁻) no solo. Para superar essas restrições, as plantas modificam a expressão gênica e os processos fisiológicos para otimizar a aquisição de N. Essa plasticidade depende de uma complexa rede de sinalização a longa distância raiz‑parte aérea‑raiz que permanece pouco compreendida. Mostramos anteriormente que a biossíntese de citocinina (CK) é necessária para desencadear a sinalização sistêmica de N. Aqui, realizamos experimentos de raiz dividida e usamos uma combinação de análises de mutantes relacionados a CK, perfil hormonal, análise transcriptômica, ensaios de absorção de NO₃⁻ e medições de crescimento radicular para obter insights sobre a sinalização sistêmica de N em Arabidopsis thaliana. Ao comparar plantas selvagens e mutantes afetados na biossíntese de CK e na translocação de CK da raiz para a parte aérea dependente de ABCG14, revelamos um papel importante para a trans-zeatina (tZ) ativa na sinalização sistêmica de N. Tanto a regulação rápida de genes sentinela quanto a aclimatação funcional de longo prazo ao suprimento heterogêneo de NO₃⁻, incluindo o transporte de NO₃⁻ e a regulação do crescimento radicular, são provavelmente mediadas pela integração do conteúdo de tZ na parte aérea. Além disso, o perfil transcriptômico da parte aérea revelou que o metabolismo de glutamato/glutamina é provavelmente um alvo da translocação de tZ da raiz para a parte aérea, levantando uma hipótese interessante sobre a comunicação parte aérea‑raiz. Finalmente, este estudo destaca vias independentes de tZ que regulam a expressão gênica na parte aérea, bem como a atividade de absorção de NO₃⁻ em resposta à privação total de N.

Abstract

Plants face temporal and spatial variation in nitrogen (N) availability. This includes heterogeneity in soil nitrate (NO3 −) content. To overcome these constraints, plants modify their gene expression and physiological processes to optimize N acquisition. This plasticity relies on a complex long-distance root-shoot-root signaling network that remains poorly understood. We previously showed that cytokinin (CK) biosynthesis is required to trigger systemic N signaling. Here, we performed split-root experiments and used a combination of CK-related mutant analyses, hormone profiling, transcriptomic analysis, NO3 − uptake assays, and root growth measurements to gain insight into systemic N signaling in Arabidopsis thaliana. By comparing wild-type plants and mutants affected in CK biosynthesis and ABCG14-dependent root-to-shoot translocation of CK, we revealed an important role for active trans-zeatin (tZ) in systemic N signaling. Both rapid sentinel gene regulation and long-term functional acclimation to heterogeneous NO3 − supply, including NO3 − transport and root growth regulation, are likely mediated by the integration of tZ content in shoots. Furthermore, shoot transcriptome profiling revealed that glutamate/glutamine metabolism is likely a target of tZ root-to-shoot translocation, prompting an interesting hypothesis regarding shoot-to-root communication. Finally, this study highlights tZ-independent pathways regulating gene expression in shoots as well as NO3 − uptake activity in response to total N deprivation.