Magnesium supports nitrogen uptake through regulating NRT2.1/2.2 in soybean

Resumo

Objetivos: O nitrogênio (N) e o magnésio (Mg) são dois dos elementos essenciais para o crescimento das plantas. A aplicação de Mg pode aumentar a eficiência do uso de N nas plantas, mas os mecanismos subjacentes à interação Mg-N não são bem compreendidos. Os objetivos deste estudo foram avaliar como o suprimento de Mg afeta a absorção de N na soja e investigar os mecanismos moleculares subjacentes.

Métodos: Plântulas de soja (Glycine max L.) foram cultivadas em hidroponia com diversas concentrações de Mg sob diferentes condições de N. Foram determinados a biomassa, as concentrações de nutrientes e açúcares e a expressão gênica. A especificidade tecidual da expressão gênica foi realizada em transformantes de raízes pilosas.

Resultados: O aumento do suprimento de Mg aumentou a concentração de N e a absorção total de N na soja. O efeito promotor deve-se à maior absorção de nitrato, mas não de amônio. Além disso, o aumento do suprimento de nitrato pode restaurar parcialmente a retenção do crescimento e a clorose foliar causadas pela baixa disponibilidade de Mg. Um estudo transcriptômico comparativo revelou que dois genes da família do Transportador de Nitrato 2 (NRT2), NRT2.1 e NRT2.2, foram regulados positivamente pelo Mg nas raízes. Ambos os genes NRT2.1 e 2.2 são expressos principalmente na exoderme e epiderme das raízes de soja, sugerindo papéis na absorção de nitrato. Além disso, sob condições de baixo Mg, a expressão de NRT2.1 e 2.2 e a consequente absorção de N foram restauradas mediante a adição exógena de sacarose, sugerindo que o Mg pode regular a expressão de NRT2.1/2.2 por meio da facilitação da alocação de sacarose.

Conclusões: Os resultados deste estudo indicam que o Mg promove a absorção de N por meio da regulação positiva da expressão de NRT2.1/2.2 nas raízes de soja. Essa expressão gênica induzida por Mg parece atuar por meio da facilitação da alocação de sacarose da parte aérea para as raízes.

Abstract

Aims
Nitrogen (N) and magnesium (Mg) are two of the essential elements for plant growth. Application of Mg may increase N use efficiency in plants, but the mechanisms underlying Mg and N interaction are not well understood. The objectives of this study were to assess how Mg supply affects N uptake in soybean, and to further investigate underlying molecular mechanisms.
Methods
Soybean (Glycine max L.) seedlings were provided with various concentrations of Mg under different N conditions in hydroponic cultures. Biomass, nutrient and sugar concentrations, and gene expression were determined. Tissue specificity of gene expression was performed in hairy-root transformants.
Results
Increasing Mg supply enhanced N concentration and total N uptake in soybean. The promotive effect is due to the enhanced uptake of nitrate but not ammonium. Moreover, elevating nitrate supply can partially restore growth retardation and leaf chlorosis caused by low Mg availability. A comparative transcriptomic study revealed that two Nitrate Transporter 2 (NRT2) family genes NRT2.1 and NRT2.2 were positively regulated by Mg in roots. Both NRT2.1 and 2.2 are mainly expressed in the exodermis and epidermis of soybean roots, suggesting roles in nitrate uptake. In addition, under low-Mg conditions, expression of NRT2.1 and 2.2 and subsequent N uptake were restored upon exogenous addition of sucrose, implying the possibility that Mg may regulate NRT2.1/2.2 expression through facilitation of sucrose allocation.
Conclusions
The results of this study indicate that Mg promotes N uptake through positive regulation of NRT2.1/2.2 expression in soybean roots. This Mg-induced gene expression appears to act through-facilitation of sucrose allocation from shoots to roots.