Global Changes in the Transcript and Metabolic Profiles during Symbiotic Nitrogen Fixation in Phosphorus-Stressed Common Bean Plants
- Georgina Hernández
- O. Valdés-López
- M. Ramírez
- N. Goffard
- G. Weiller
- R. Aparicio-Fabre
- S. I. Fuentes
- A. Erban
- J. Kopka
- M. K. Udvardi
- C. P. Vance
Resumo
A deficiência de fósforo (P) é generalizada em regiões onde é produzido o feijão comum (Phaseolus vulgaris), a leguminosa mais importante para o consumo humano, e talvez seja o fator que mais limita a fixação de nitrogênio. Foram usadas abordagens de expressão gênica global e metabolômica para investigar as respostas dos nódulos de plantas de feijão comum inoculadas com Rhizobium tropici CIAT899 cultivadas em condições de deficiência e suficiência de P. Plantas inoculadas com deficiência de P mostraram uma redução drástica na nodulação e na atividade da nitrogenase, conforme determinado pelo ensaio de redução de acetileno. O perfil de transcrição dos nódulos foi realizado por hibridização de filtros de náilon com cDNAs, aproximadamente 4.000 unigenes, da biblioteca de nódulos e raízes deficientes em P. Um total de 459 genes, representando diferentes processos biológicos de acordo com a anotação atualizada usando o banco de dados UniProt Knowledgebase, mostrou expressão diferencial significativa em resposta ao P: 59% desses foram induzidos em nódulos deficientes em P. A plataforma de expressão para genes de fatores de transcrição baseada em reação em cadeia da polimerase quantitativa por transcrição reversa revelou que 37 genes de fatores de transcrição foram diferencialmente expressos em nódulos deficientes em P e apenas um gene foi reprimido. Dados de perfis metabólicos não direcionados indicaram que aminoácidos e outros metabólitos de nitrogênio foram reduzidos, enquanto ácidos orgânicos e polihidroxilados se acumularam em nódulos deficientes em P. Análises bioinformáticas usando as ferramentas de software MapMan e PathExpress, personalizadas para o feijão comum, foram utilizadas para a análise das mudanças globais na expressão gênica que afetaram o metabolismo geral. Glicólise e metabolismo de glicerolipídios, e metabolismo de amido e sacarose foram identificados entre as vias significativamente induzidas ou reprimidas em nódulos deficientes em P, respectivamente.
Abstract
Phosphorus (P) deficiency is widespread in regions where the common bean (Phaseolus vulgaris), the most important legume for human consumption, is produced, and it is perhaps the factor that most limits nitrogen fixation. Global gene expression and metabolome approaches were used to investigate the responses of nodules from common bean plants inoculated with Rhizobium tropici CIAT899 grown under P-deficient and P-sufficient conditions. P-deficient inoculated plants showed drastic reduction in nodulation and nitrogenase activity as determined by acetylene reduction assay. Nodule transcript profiling was performed through hybridization of nylon filter arrays spotted with cDNAs, approximately 4,000 unigene set, from the nodule and P-deficient root library. A total of 459 genes, representing different biological processes according to updated annotation using the UniProt Knowledgebase database, showed significant differential expression in response to P: 59% of these were induced in P-deficient nodules. The expression platform for transcription factor genes based in quantitative reverse transcriptase-polymerase chain reaction revealed that 37 transcription factor genes were differentially expressed in P-deficient nodules and only one gene was repressed. Data from nontargeted metabolic profiles indicated that amino acids and other nitrogen metabolites were decreased, while organic and polyhydroxy acids were accumulated, in P-deficient nodules. Bioinformatics analyses using MapMan and PathExpress software tools, customized to common bean, were utilized for the analysis of global changes in gene expression that affected overall metabolism. Glycolysis and glycerolipid metabolism, and starch and Suc metabolism, were identified among the pathways significantly induced or repressed in P-deficient nodules, respectively.
