Effects of nitrate deficiency on nitrate assimilation and chlorophyll synthesis of detached apple leaves

Resumo

O nitrogênio é um dos nutrientes mais importantes para o crescimento e desenvolvimento das plantas. O nitrato (NO3-N) é a principal forma de nitrogênio absorvido pelas plantas. Compreender os efeitos do NO3-N exógeno no metabolismo de nitrogênio na expressão gênica e nos níveis de atividade enzimática durante a assimilação de nitrogênio e síntese de clorofila é importante para aumentar a eficiência de utilização de nitrogênio. Neste estudo, foram investigadas a morfologia celular, as taxas de absorção de NO3 -N, a expressão de genes-chave relacionados à assimilação de nitrogênio e síntese de clorofila e atividade enzimática em folhas de maçã sob deficiência de NO3 -N. Os resultados mostraram que a morfologia celular das folhas de maçã foi irreversivelmente deformada devido à deficiência de NO3-N. A absorção de NO3-N foi absorvido ligeiramente um dia após o tratamento com deficiência de NO3-N, e foi posteriormente liberada após 3 dias. A expressão relativa de genes que codificam enzimas de assimilação de nitrogênio e a atividade dessas enzimas diminuiu significativamente após 1 dia de tratamento com deficiência de NO3-N. Após o tratamento por 14 dias, a expressão gênica foi regulada, a atividade enzimática foi aumentada e o conteúdo de NO3-N foi aumentado. A deficiência de NO3-N impediu a conversão do ácido 5-aminobilínico (ALA) em porfoblinogênio (PBG), indicando uma via potencial através da qual os níveis de NO3-N impactam a síntese de clorofila. Em geral, os resultados indicam que uma deficiência de NO3-N tem um efeito significativo na atividade enzimática, modificando a expressão de genes vitais envolvidos na via de assimilação de nitrogênio, prejudicando assim a absorção e utilização de NO3-N. A ausência de NO3-N afeta negativamente a produção de PBG, um precursor crucial para a clorofila, impedindo consequentemente a síntese de clorofila.

Abstract

Nitrogen is one of the most important nutrients for plant growth and development. Nitrate nitrogen (NO₃⁻-N) is the main form of nitrogen taken up by plants. Understanding the effects of exogenous NO₃⁻-N on nitrogen metabolism at the gene expression and enzyme activity levels during nitrogen assimilation and chlorophyll synthesis is important for increasing nitrogen utilization efficiency. In this study, cell morphology, NO₃⁻-N uptake rates, the expression of key genes related to nitrogen assimilation and chlorophyll synthesis and enzyme activity in apple leaves under NO₃⁻-N deficiency were investigated. The results showed that the cell morphology of apple leaves was irreversibly deformed due to NO₃⁻-N deficiency. NO₃⁻-N was absorbed slightly one day after NO₃⁻-N deficiency treatment and effluxed after 3 days. The relative expression of genes encoding nitrogen assimilation enzymes and the activity of such enzymes decreased significantly after 1 day of NO₃⁻-N deficiency treatment. After treatment for 14 days, gene expression was upregulated, enzyme activity was increased, and NO₃⁻-N content was increased. NO₃⁻-N deficiency hindered the transformation of 5-aminobilinic acid (ALA) to porphobilinogen (PBG), suggesting a possible route by which NO₃⁻-N levels affect chlorophyll synthesis. Collectively, the results indicate that NO₃⁻-N deficiency affects enzyme activity by altering the expression of key genes in the nitrogen assimilation pathway, thereby suppressing NO₃⁻-N absorption and assimilation. NO₃⁻-N deficiency inhibits the synthesis of the chlorophyll precursor PBG, thereby hindering chlorophyll synthesis.