The magnesium-specific uptake and translocation transporters ZmMGT10 and MGR6 are upregulated not only by magnesium deficiency but also by high potassium concentrations in maize

Resumo

O antagonismo entre potássio (K⁺) e magnésio (Mg²⁺) é a principal causa de deficiência de Mg²⁺ em todo o mundo. Estudos recentes demonstraram que o efeito supressor do K⁺ sobre a absorção de Mg²⁺ é significativamente reduzido à medida que a relação K⁺/Mg²⁺ aumenta, uma vez que ambos os cátions compartilham canais catiônicos não específicos. Concomitantemente, a translocação relativa de Mg²⁺ da raiz para a parte aérea aumentou. Em contraste, há indicações de que a elevada [K⁺] nos tecidos impede as funções fisiológicas primárias do Mg²⁺. Neste estudo em Zea mays L., foi examinado o envolvimento do único transportador específico de absorção de Mg²⁺ conhecido, ZmMGT10, e do transportador de translocação MGR6. Em um sistema hidropônico, plantas jovens de milho foram submetidas a oito relações K⁺/Mg²⁺ distintas. A expressão relativa de RNA dos dois transportadores foi examinada. Em um segundo experimento, o efeito da elevada [K⁺] foliar sobre as funções fisiológicas do Mg²⁺ foi investigado, enquanto o antagonismo de absorção foi evitado. As plantas de milho aqui foram submetidas a um suprimento suficiente de Mg²⁺ e a uma deficiência absoluta sob condições de [K⁺] adequada e em excesso. A análise incluiu valores de clorofila, amido e concentração de nutrientes. Enquanto ZmMGT10;1 foi mais expresso devido à menor [Mg²⁺] radicular induzida por K⁺, ZmMGT10;2 mostrou maior expressão sob alta exposição a K⁺, embora essa resposta fosse independente da [Mg²⁺] radicular. Uma resposta semelhante também foi observada para MGR6. Verificou-se que as funções fisiológicas do Mg²⁺ não foram afetadas pelo aumento da [K⁺] no tecido. Em conclusão, a maior absorção e a elevada expressão de transportadores de translocação foram identificadas como uma estratégia de adaptação das plantas de milho à deficiência de Mg²⁺ induzida por K⁺.

Abstract

The antagonism between potassium (K+) and magnesium (Mg2+) is the primary cause of Mg2+ deficiency worldwide. Recent studies have demonstrated that the suppressive effect of K+ on Mg2+ uptake is significantly reduced as the K+/Mg2+ ratio increases, as both cations share non-specific cation channels. Concomitantly, the relative root/shoot translocation of Mg2+ increased. In contrast, there are indications that elevated tissue [K+] impedes the primary physiological functions of Mg2+. In this study on Zea mays L., the involvement of the only known specific Mg2+ uptake transporter ZmMGT10 and that of the translocation transporter MGR6 was examined. In a hydroponic setup, young maize plants were subjected to eight distinct K+/Mg2+ ratios. Relative RNA expression of the two transporters was examined. In a second experiment, the effect of elevated leaf [K+] on the physiological functions of Mg2+ was investigated, while uptake antagonism was avoided. The maize plants here were subjected to a sufficient Mg2+ supply and absolute deficiency under conditions of adequate and excess [K+]. The analysis included chlorophyll values, starch, and nutrient concentration. While ZmMGT10;1 was higher expressed due to K+-induced lower root [Mg+2], ZmMGT10;2 showed a higher expression at high K+ exposure, although this response was independent of root [Mg+2]. A similar response was also observed for MGR6. It was found that the physiological functions of Mg2+ were not affected by increased [K+] in the tissue. In conclusion, the higher uptake and the elevated expression of translocation transporters were identified as an adaptation strategy of maize plants to K+-induced Mg2+ deficiency.