Nitrogen Deficiency Outperforms Water Stress in Triggering Strigolactone-Dependent Responses in Maize

Resumo

As estrigolactonas (SLs) modulam múltiplos aspectos do desenvolvimento e da fisiologia do estresse das plantas. Este estudo investigou seu papel na resposta do milho ao estresse abiótico, comparando um mutante de biossíntese de SL (zmccd8) com plântulas do tipo selvagem (WT) cultivadas por 4 semanas em vermiculita sob limitação de nutrientes e de água. Foram analisados o crescimento das plantas, o acúmulo de pigmentos ao longo do tempo, a expressão de genes-alvo e os perfis transcriptômicos das raízes. Os resultados mostraram que as plantas zmccd8 foram, em grande parte, incapazes de induzir a senescência foliar e a remobilização eficiente de nutrientes para os tecidos mais jovens sob deficiência de nitrogênio (N), resposta previamente associada à adaptação do milho à baixa disponibilidade de N. Paralelamente, o mutante desenvolveu sistema radicular menor, principalmente pela formação limitada de raízes adventícias, sobretudo sob escassez de N. O perfil transcriptômico das raízes revelou que a deficiência de N afetou fortemente as plantas WT, induzindo ampla regulação de vias envolvidas no metabolismo e no transporte de nitrogênio, no metabolismo secundário, na sinalização de etileno e MAPK, nas respostas ao estresse oxidativo e nas principais famílias de fatores de transcrição. Essas respostas estiveram em grande parte ausentes no mutante zmccd8, sugerindo menor plasticidade transcricional e menor capacidade de lidar com o desequilíbrio oxidativo associado ao estresse. Por outro lado, apesar de induzir respostas fisiológicas e moleculares substanciais, o estresse hídrico provocou apenas regulação modesta dependente de SL, com alterações limitadas e heterogêneas entre os genótipos. Em conjunto, os resultados demonstram que, no milho, as SLs atuam de modo específico para cada estresse, desempenhando papel predominante na aclimatação à deficiência de nitrogênio por meio da regulação coordenada da senescência, da remobilização de nutrientes, da arquitetura radicular e da expressão gênica, enquanto contribuem de forma mais marginal para a aclimatação ao estresse hídrico. Esses resultados trazem novas informações sobre o papel das SLs na plasticidade fisiológica do milho sob condições de estresse abiótico.

Abstract

Strigolactones (SLs) modulate multiple aspects of plant development and stress physiology. This study investigated their role in maize response to abiotic stress by comparing an SL-biosynthesis mutant (zmccd8) with wild-type (WT) seedlings grown for 4 weeks in vermiculite under nutrient and water limitation. Plant growth, time-course pigment accumulation, targeted gene expression, and root transcriptomic profiles were analyzed. Our results showed that zmccd8 plants were largely unable to induce leaf senescence and efficient nutrient remobilization toward younger tissues under nitrogen (N) deficiency, a response previously associated with maize adaptation to low N availability. In parallel, the mutant developed a smaller root system, mainly due to limited adventitious root formation, particularly under N shortage. Root transcriptomic profiling revealed that N deficiency strongly affected WT plants, inducing extensive regulation of pathways involved in nitrogen metabolism and transport, secondary metabolism, ethylene and MAPK signaling, oxidative stress responses, and major transcription factor families. These responses were largely absent in the zmccd8 mutant, suggesting reduced transcriptional plasticity and compromised capacity to cope with stress-associated oxidative imbalance. Conversely, despite inducing substantial physiological and molecular responses, water stress elicited only modest SL-dependent regulation, with limited and heterogeneous changes between genotypes. Overall, our findings demonstrate that in maize, SLs act in a stress-specific manner, playing a predominant role in acclimatisation to nitrogen deficiency through coordinated regulation of senescence, nutrient remobilization, root architecture, and gene expression, while contributing more marginally to water-stress acclimatisation. These results provide new insights into SLs’ role in shaping maize physiological plasticity under abiotic stress conditions.