Multilevel Analysis of Primary Metabolism Provides New Insights into the Role of Potassium Nutrition for Glycolysis and Nitrogen Assimilation in Arabidopsis Roots

Resumo

O potássio (K) é necessário em grandes quantidades para as culturas em crescimento, mas, diante dos altos preços dos fertilizantes, os agricultores geralmente negligenciam a aplicação de K em favor do nitrogênio e do fósforo. Como resultado, grandes áreas de terras agrícolas estão agora esgotadas de K. A deficiência de K afeta o conteúdo de metabólitos das culturas com consequências negativas para a qualidade nutricional, a estabilidade mecânica e a resistência a patógenos/pragas. As funções conhecidas do K no transporte de solutos, na síntese de proteínas e na ativação de enzimas apontam para uma estreita relação entre o K e o metabolismo, mas não está claro quais são as mais críticas e quais devem ser alvo de esforços biotecnológicos para melhorar a eficiência do uso do K. Para identificar os alvos metabólicos e os componentes de sinalização do estresse de K, adotamos uma abordagem multinível que combina perfis de transcrição com atividades enzimáticas e perfis de metabólitos de plantas de Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) submetidas a baixo teor de K e reabastecimento de K. As raízes e os brotos foram analisados separadamente. As raízes e os brotos foram analisados separadamente. Nossos resultados demonstram que a regulação das enzimas no nível de transcritos e proteínas provavelmente desempenha um papel importante na adaptação da planta à deficiência de K ao (1) manter o fluxo de carbono em aminoácidos e proteínas, (2) diminuir a carga metabólica negativa e (3) aumentar a relação nitrogênio-carbono nos aminoácidos. Entretanto, as alterações nos transcritos e nas atividades enzimáticas não explicam a forte e reversível depleção de piruvato e o acúmulo de açúcares observados nas raízes das plantas com baixo teor de K. Propomos que a principal causa dos distúrbios metabólicos em plantas com baixo teor de K reside na inibição direta da atividade da piruvato quinase pelo baixo teor de K citoplasmático nas células da raiz.

Abstract

Potassium (K) is required in large quantities by growing crops, but faced with high fertilizer prices, farmers often neglect K application in favor of nitrogen and phosphorus. As a result, large areas of farmland are now depleted of K. K deficiency affects the metabolite content of crops with negative consequences for nutritional quality, mechanical stability, and pathogen/pest resistance. Known functions of K in solute transport, protein synthesis, and enzyme activation point to a close relationship between K and metabolism, but it is unclear which of these are the most critical ones and should be targeted in biotechnological efforts to improve K usage efficiency. To identify metabolic targets and signaling components of K stress, we adopted a multilevel approach combining transcript profiles with enzyme activities and metabolite profiles of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) plants subjected to low K and K resupply. Roots and shoots were analyzed separately. Our results show that regulation of enzymes at the level of transcripts and proteins is likely to play an important role in plant adaptation to K deficiency by (1) maintaining carbon flux into amino acids and proteins, (2) decreasing negative metabolic charge, and (3) increasing the nitrogen-carbon ratio in amino acids. However, changes in transcripts and enzyme activities do not explain the strong and reversible depletion of pyruvate and accumulation of sugars observed in the roots of low-K plants. We propose that the primary cause of metabolic disorders in low-K plants resides in the direct inhibition of pyruvate kinase activity by low cytoplasmic K in root cells.