Cytokinin synthesis and export from symbiotic root nodules coordinates shoot growth with nitrogen fixation

Resumo

O desenvolvimento de nódulos radiculares simbióticos é um processo dependente de citocininas e é crítico para a aquisição de nitrogênio em leguminosas. A extensão e a maneira como os nódulos radiculares contribuem para a sinalização de suprimento de citocininas e nitrogênio em toda a planta são desconhecidas. Usando uma combinação de abordagens genéticas, bioquímicas e fisiológicas, caracterizamos o papel da síntese, exportação e percepção de citocininas na coordenação do desenvolvimento de nódulos simbióticos e do crescimento da parte aérea na leguminosa Lotus japonicus. LjPup1 codifica um exportador de citocininas localizado na membrana plasmática com capacidade de exportar isopenteniladenina (iP) e trans-zeatina (tZ). LjPup1 mostra um padrão de expressão específico de nódulos, com os maiores níveis de transcritos detectados em nódulos maduros. Mutantes acumulam mais isopenteniladenina ribosídeo (iPR) nos tecidos dos nódulos e demonstram características de sinalização de citocininas reduzida. Apesar do número e função normais dos nódulos, o crescimento da parte aérea é marcadamente reduzido em mutantes Ljpup1, bem como em mutantes com deficiência na biossíntese de tZ. Descobrimos que os nódulos radiculares simbióticos contribuem para o crescimento da parte aérea por meio da exportação de citocininas ativas. Um exportador de citocininas da família das purine permeases contribui, assim, para a homeostase de citocininas a longa distância, regulando o desenvolvimento da planta.

Abstract

Development of symbiotic root nodules is a cytokinin-dependent process that is critical to nitrogen acquisition in legumes. The extent and manner in which root nodules contribute to whole-plant cytokinin and nitrogen supply signalling is unknown. Using a combination of genetic, biochemical and physiological approaches, we characterised the role of cytokinin synthesis, export and perception in coordination of symbiotic nodule development and shoot growth in the legume Lotus japonicus. LjPup1 encodes a plasma membrane localised cytokinin exporter with isopentenyladenine (iP) and trans-Zeatin (tZ) export capacity. LjPup1 shows a distinct nodule-specific expression pattern with greatest transcript levels detected in mature nodules. Mutants accumulate more isopentenyladenine riboside (iPR) in nodule tissues and demonstrate hallmarks of reduced cytokinin signalling. Despite normal nodule numbers and function, shoot growth is markedly reduced in Ljpup1 mutants, as well as in mutants impaired in tZ biosynthesis. We found symbiotic root nodules contribute to shoot growth via export of active cytokinins. A cytokinin exporter in the purine permease family thus contributes to long-distance cytokinin homeostasis regulating plant development.