Arabidopsis K+ transporter HAK5-mediated high-affinity root K+ uptake is regulated by protein kinases CIPK1 and CIPK9

Resumo

O transportador de K+ de alta afinidade HAK5 é o principal contribuinte para a captação de K+ da raiz a partir de soluções diluídas em plantas de Arabidopsis com falta de K+. Sua funcionalidade é rigidamente regulada e sua atividade é aprimorada sob privação de K+ pela indução transcricional do gene AtHAK5 e pela ativação do transportador por meio do complexo AtCBL1-AtCIPK23. No presente estudo, os 26 membros da família de proteínas quinase CIPK de Arabidopsis foram examinados em levedura quanto à sua capacidade de ativar a captação de K+ mediada por HAK5. Entre eles, o AtCIPK1 foi o ativador mais eficiente do AtHAK5. Além disso, o AtCIPK9, anteriormente relatado como participante da homeostase do K+, também ativou o transportador. Nas raízes, os genes que codificam AtCIPK1 e AtCIPK9 foram induzidos pela privação de K+ e os mutantes atcipk1 e atcipk9 Arabidopsis KO apresentaram uma redução na captação de Rb+ mediada por AtHAK5. A ativação de AtHAK5 por AtCIPK1 não ocorreu em condições de estresse hiperosmótico, em que a função de AtCIPK1 demonstrou ser necessária para manter o crescimento da planta. Em conjunto, nossos dados contribuem para a identificação das complexas redes regulatórias que controlam o transportador de K+ de alta afinidade AtHAK5 e a captação de K+ da raiz.

Abstract

The high-affinity K⁺ transporter HAK5 is the major contributor to root K⁺ uptake from dilute solutions in K⁺-starved Arabidopsis plants. Its functionality is tightly regulated and its activity is enhanced under K⁺ starvation by the transcriptional induction of the AtHAK5 gene, and by the activation of the transporter via the AtCBL1–AtCIPK23 complex. In the present study, the 26 members of the Arabidopsis CIPK protein kinase family were screened in yeast for their capacity to activate HAK5-mediated K⁺ uptake. Among them, AtCIPK1 was the most efficient activator of AtHAK5. In addition, AtCIPK9, previously reported to participate in K⁺ homeostasis, also activated the transporter. In roots, the genes encoding AtCIPK1 and AtCIPK9 were induced by K⁺ deprivation and atcipk1 and atcipk9 Arabidopsis KO mutants showed a reduced AtHAK5-mediated Rb⁺ uptake. Activation of AtHAK5 by AtCIPK1 did not occur under hyperosmotic stress conditions, where AtCIPK1 function has been shown to be required to maintain plant growth. Taken together, our data contribute to the identification of the complex regulatory networks that control the high-affinity K⁺ transporter AtHAK5 and root K⁺ uptake.