Impact of sulfur deficiency and excess on the growth and development of soybean seedlings

Resumo

O enxofre é um elemento crítico para o crescimento e desenvolvimento das plantas, servindo como componente de aminoácidos (cisteína e metionina), aglomerados de ferro-enxofre, proteínas, glutationa, coenzimas e precursores de auxina. A deficiência ou baixas concentrações de enxofre no solo podem levar a um retardo significativo no crescimento das plantas. O objetivo do nosso estudo foi examinar os efeitos da deficiência e do excesso de enxofre (S) nos sintomas morfológicos, no metabolismo de enxofre e nitrogênio (N), bem como na atividade antioxidante em soja. Descobrimos que a privação de S diminuiu o comprimento, a biomassa e a atividade das raízes finas, e o teor de clorofila foi reduzido, enquanto o excesso de enxofre promove o crescimento de raízes laterais. Em contraste com o excesso de enxofre, a deficiência de enxofre inibe os níveis de metabolismo de N e S tanto nas partes subterrâneas quanto nas aéreas, e induziu a expressão de alguns transportadores de enxofre (SULTRs). Neste estudo, criamos linhagens de raízes pilosas de soja superexpressando o gene SULTR (GmSULTR2;1a) para observar as mudanças metabólicas após o tratamento com deficiência de enxofre. Os resultados mostraram que GmSULTR2;1a salvou o fenótipo de deficiência de enxofre, e a atividade da enzima antioxidante foi muito maior do que a do tipo selvagem na ausência de enxofre. Nosso estudo revelou o importante papel do elemento enxofre no crescimento e desenvolvimento da soja e a regulação da deficiência de enxofre por GmSULTR2;1a.

Abstract

Sulfur is a critical element for plant growth and development, serving as a component of amino acids (cysteine and methionine), iron–sulfur clusters, proteins, glutathione, coenzymes, and auxin precursors. Deficiency or low concentrations of sulfur in the soil can lead to significant growth retardation in plants. The objective of our study was to examine the effects of sulfur (S) deficiency and excess on morphological symptoms, sulfur and nitrogen (N) metabolism, as well as antioxidant activity in soybean. We found that S starvation decreased the fine root length, biomass, and activity, and the chlorophyll content was reduced, while excess sulfur promotes lateral root growth. In contrast to sulfur excess, sulfur deficiency inhibits N and S metabolism levels in both subsurface and above-ground parts, and induced the expression of some sulfur transporters (SULTRs). In this study, we created soybean hairy root lines overexpressing the SULTR gene (GmSULTR2;1a) to observe metabolic changes following sulfur deficiency treatment. The results showed that GmSULTR2;1a saved the sulfur-deficient phenotype, and the antioxidant enzyme activity was much higher than that of the wildtype in the absence of sulfur. Our study revealed the important role of sulfur element in soybean growth and development and the regulation of sulfur deficiency by GmSULTR2;1a.