Aquaporin expression and water transport pathways inside leaves are affected by nitrogen supply through transpiration in rice plants

Resumo

A taxa fotossintética aumenta sob alto suprimento de nitrogênio (N), resultando em uma grande condutância de transporte de CO₂ nas células do mesofilo. É menos conhecido que o movimento da água é afetado pelo suprimento de nitrogênio nas folhas. Este estudo investigou se a expressão de aquaporina e o transporte de água foram afetados por concentrações baixas (0,7 mM) e altas (7 mM) de N em cultura hidropônica de quatro variedades de arroz: (1) Shanyou 63 (SY63), uma variante híbrida da espécie indica; (2) Yangdao 6 (YD6), uma variante da espécie indica; (3) Zhendao 11 (ZD11), uma variante híbrida da espécie japonica; e (4) Jiuyou 418 (JY418), outro híbrido da espécie japonica. Tanto a taxa fotossintética quanto a de transpiração aumentaram com o alto suprimento de N nas quatro variedades. As expressões de aquaporinas, proteínas intrínsecas da membrana plasmática (PIPs) e proteína intrínseca da membrana do tonoplasto (TIP) foram maiores em folhas com alto N do que com baixo N, exceto em SY63. A condutância hidráulica foliar (Kleaf) foi menor em folhas com alto N do que com baixo N em SY63, enquanto Kleaf aumentou sob alto suprimento de N na variante YD6. Correlações negativas foram observadas entre a expressão de aquaporina e a taxa de transpiração em diferentes variedades. Além disso, houve uma correlação negativa significativa entre a taxa de transpiração e o espaço de ar intercelular. Em conclusão, a mudança na expressão de aquaporinas poderia afetar Kleaf e a transpiração. Um efeito de retroalimentação da transpiração regularia a expressão de aquaporinas. Os resultados atuais implicam uma coordenação das trocas gasosas com a condutância hidráulica foliar.

Abstract

The photosynthetic rate increases under high-N supply, resulting in a large CO2 transport conductance in mesophyll cells. It is less known that water movement is affected by nitrogen supply in leaves. This study investigated whether the expression of aquaporin and water transport were affected by low-N (0.7 mM) and high-N (7 mM) concentrations in the hydroponic culture of four rice varieties: (1) Shanyou 63 (SY63), a hybrid variant of the indica species; (2) Yangdao 6 (YD6), a variant of indica species; (3) Zhendao 11 (ZD11), a hybrid variant of japonica species; and (4) Jiuyou 418 (JY418), another hybrid of the japonica species. Both the photosynthetic and transpiration rate were increased by the high-N supply in the four varieties. The expressions of aquaporins, plasma membrane intrinsic proteins (PIPs), and tonoplast membrane intrinsic protein (TIP) were higher in high-N than low-N leaves, except in SY63. Leaf hydraulic conductance (Kleaf) was lower in high-N than low-N leaves in SY63, while Kleaf increased under high-N supply in the YD6 variant. Negative correlations were observed between the expression of aquaporin and the transpiration rate in different varieties. Moreover, there was a significant negative correlation between transpiration rate and intercellular air space. In conclusion, the change in expression of aquaporins could affect Kleaf and transpiration. A feedback effect of transpiration would regulate aquaporin expression. The present results imply a coordination of gas exchange with leaf hydraulic conductance.