Glutamate, Ornithine, Arginine, Proline, and Polyamine Metabolic Interactions: The PathwayIs Regulated at the Post-Transcriptional Level

Resumo

O metabolismo do glutamato convertido em ornitina, arginina, prolina e poliaminas é uma importante rede de vias de metabolização de nitrogênio em plantas, que também produz intermediários como óxido nítrico e ácido γ-aminobutírico (GABA) que desempenham papéis críticos no desenvolvimento e adaptação ao estresse pela planta . Embora as acumulações de intermediários e os produtos dessa rede dependam principalmente da assimilação de nitrogênio, a regulação geral das subvias interativas não é bem compreendida. Testamos a hipótese de que o desvio de ornitina na biossíntese de poliamina (por abordagem transgênica) não apenas desempenha um papel na regulação de sua própria biossíntese de glutamato, mas também afeta a biossíntese de arginina e prolina. Usando duas linhagens altamente produtoras de putrescina de Arabidopsis thaliana (contendo um gene transgênico de ornitina descarboxilase de camundongo), estudamos: (1) efeitos do suprimento exógeno de carbono e nitrogênio em poliaminas e pools de aminoácidos solúveis; e, (2) expressão de genes que codificam enzimas-chave nas vias interativas da biossíntese de arginina, prolina e GABA, bem como o catabolismo de poliaminas. Nossas descobertas sugerem que: (1) a conversão geral de glutamato em arginina e poliaminas é aprimorada pelo aumento da utilização de ornitina para a biossíntese de poliamina pelo produto transgênico; (2) a biossíntese de prolina e arginina é regulada independentemente da biossíntese de poliaminas e GABA; (3) a expressão da maioria dos genes (28 que foram estudados) que codificam enzimas das subvias interativas da biossíntese de arginina e GABA não muda, embora a biossíntese geral de Orn a partir do glutamato seja aumentada várias vezes; e (4) o aumento da biossíntese de poliamina resulta em maior assimilação de nitrogênio e carbono pelas células.

Abstract

The metabolism of glutamate into ornithine, arginine, proline, and polyamines is a major network of nitrogen-metabolizing pathways in plants, which also produces intermediates like nitric oxide, and γ-aminobutyric acid (GABA) that play critical roles in plant development and stress. While the accumulations of intermediates and the products of this network depend primarily on nitrogen assimilation, the overall regulation of the interacting sub-pathways is not well understood. We tested the hypothesis that diversion of ornithine into polyamine biosynthesis (by transgenic approach) not only plays a role in regulating its own biosynthesis from glutamate but also affects arginine and proline biosynthesis. Using two high putrescine producing lines of Arabidopsis thaliana (containing a transgenic mouse ornithine decarboxylase gene), we studied the: (1) effects of exogenous supply of carbon and nitrogen on polyamines and pools of soluble amino acids; and, (2) expression of genes encoding key enzymes in the interactive pathways of arginine, proline and GABA biosynthesis as well as the catabolism of polyamines. Our findings suggest that: (1) the overall conversion of glutamate to arginine and polyamines is enhanced by increased utilization of ornithine for polyamine biosynthesis by the transgene product; (2) proline and arginine biosynthesis are regulated independently of polyamines and GABA biosynthesis; (3) the expression of most genes (28 that were studied) that encode enzymes of the interacting sub-pathways of arginine and GABA biosynthesis does not change even though overall biosynthesis of Orn from glutamate is increased several fold; and (4) increased polyamine biosynthesis results in increased assimilation of both nitrogen and carbon by the cells.