Boron toxicity tolerance in barley through reduced expression of the multifunctional aquaporin HvNIP2;1.

Resumo

A toxicidade por boro (B) é uma limitação significativa para a produção de cereais em várias regiões do mundo. Aqui, descrevemos a clonagem de um gene da cevada (Hordeum vulgare), subjacente ao locus de característica quantitativa de tolerância à toxicidade por B no cromossomo 6H. Esse é o segundo gene de tolerância à toxicidade por B identificado na cevada. Anteriormente, identificamos o gene Bot1 que funciona como um transportador de efluxo em cevada tolerante à toxicidade por B para mover B para fora da planta. O gene identificado neste trabalho codifica HvNIP2;1, uma aquaporina da subfamília de proteínas intrínsecas semelhantes à nodulina-26 (NIP) que foi recentemente descrita como um transportador de influxo de silício na cevada e no arroz (Oryza sativa). Aqui mostramos que um mutante de arroz para este gene também apresenta menor acúmulo de B nas lâminas foliares em comparação com o tipo selvagem e que a proteína mutante altera o crescimento de leveduras (Saccharomyces cerevisiae) sob alta concentração de B. HvNIP2;1 facilita o transporte significativo de B quando expresso em oócitos de Xenopus em comparação com os controles e com outra NIP (NOD26), e também em membranas plasmáticas de leveduras que parecem ter uma permeabilidade relativamente alta a B. Propomos que a tolerância ao alto teor de B no solo é mediada pela expressão reduzida de HvNIP2;1 para limitar a absorção de B, bem como pela expressão aumentada de Bot1 para remover B das raízes e tecidos sensíveis. Juntamente com Bot1, a aquaporina multifuncional HvNIP2;1 é um determinante importante da tolerância à toxicidade por B na cevada.

 

Abstract

Boron (B) toxicity is a significant limitation to cereal crop production in a number of regions worldwide. Here we describe the cloning of a gene from barley (Hordeum vulgare), underlying the chromosome 6H B toxicity tolerance quantitative trait locus. It is the second B toxicity tolerance gene identified in barley. Previously, we identified the gene Bot1 that functions as an efflux transporter in B toxicity-tolerant barley to move B out of the plant. The gene identified in this work encodes HvNIP2;1, an aquaporin from the nodulin-26-like intrinsic protein (NIP) subfamily that was recently described as a silicon influx transporter in barley and rice (Oryza sativa). Here we show that a rice mutant for this gene also shows reduced B accumulation in leaf blades compared to wild type and that the mutant protein alters growth of yeast (Saccharomyces cerevisiae) under high B. HvNIP2;1 facilitates significant transport of B when expressed in Xenopus oocytes compared to controls and to another NIP (NOD26), and also in yeast plasma membranes that appear to have relatively high B permeability. We propose that tolerance to high soil B is mediated by reduced expression of HvNIP2;1 to limit B uptake, as well as by increased expression of Bot1 to remove B from roots and sensitive tissues. Together with Bot1, the multifunctional aquaporin HvNIP2;1 is an important determinant of B toxicity tolerance in barley.