Interdependence of threonine, methionine and isoleucine metabolism in plants: accumulation and transcriptional regulation under abiotic stress

Resumo

As vias que regulam o metabolismo da treonina, metionina e isoleucina são interconectadas de forma muito eficiente nas plantas. Como a treonina e a metionina servem como substratos para a síntese de isoleucina, sua síntese e catabolismo sob diferentes condições ambientais e de desenvolvimento também influenciam a disponibilidade de isoleucina. Juntas, a metionina gama-liase e a treonina desaminase mantêm o equilíbrio de isoleucina em plantas sob variadas disponibilidades de substrato. A isoleucina e os outros dois aminoácidos de cadeia ramificada (BCAAs) (leucina e valina) compartilham quatro enzimas comuns em suas vias de biossíntese e, portanto, são regulados de forma coordenada. Acredita-se que a indução de aminoácidos livres como osmólitos em resposta ao estresse abiótico desempenhe um papel na tolerância da planta ao estresse. Em particular, o acúmulo de BCAAs é induzido muitas vezes durante o estresse osmótico. No entanto, ao contrário do caso da prolina, não há muita pesquisa focada em entender a função da resposta envolvendo os BCAAs. Esta revisão descreve as vias que influenciam o metabolismo de aminoácidos de cadeia ramificada e o que se sabe sobre o significado biológico de seu acúmulo sob estresse abiótico. Uma abordagem de bioinformática para entender a regulação transcricional dos genes envolvidos no metabolismo de aminoácidos sob estresse abiótico também é apresentada.

Abstract

Pathways regulating threonine, methionine and isoleucine metabolism are very efficiently interconnected in plants. As both threonine and methionine serve as substrates for isoleucine synthesis, their synthesis and catabolism under different developmental and environmental conditions also influence isoleucine availability. Together, methionine gamma-lyase and threonine deaminase maintain the isoleucine equilibrium in plants under varied substrate availabilities. Isoleucine and the two other branched-chain amino acids (BCAAs) (leucine and valine) share four common enzymes in their biosynthesis pathways and thus are coordinately regulated. Induction of free amino acids as osmolytes in response to abiotic stress is thought to play a role in plant stress tolerance. In particular, the accumulation of BCAAs is induced many-fold during osmotic stress. However, unlike in the case of proline, not much research has been focused on understanding the function of the response involving BCAAs. This review describes pathways influencing branched-chain amino acid metabolism and what is known about the biological significance of their accumulation under abiotic stress. A bioinformatics approach to understanding the transcriptional regulation of the genes involved in amino acid metabolism under abiotic stress is also presented.