Nitrate-Dependent Control of Shoot K Homeostasis by the Nitrate Transporter1/Peptide Transporter Family Member NPF7.3/NRT1.5 and the Stelar K+ Outward Rectifier SKOR in Arabidopsis

Resumo

A translocação da raiz para o broto e a homeostase do broto de potássio (K) determinam o equilíbrio dos nutrientes, o crescimento e a tolerância ao estresse das plantas vasculares. Para manter o equilíbrio catião-ânion, a carga de xilema de K+ nas raízes depende da carga concomitante de contra-aniões, como nitrato (NO3 ). No entanto, a corregulação dessas etapas de carregamento não é clara. Aqui, mostramos que o transportador de nitrato bidirecional (NRT1)/transportador de peptídeos (PTR) da família NPF7.3/NRT1.5 é importante para a translocação NO3- dependente de K+ em Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). A falta de NPF7.3/NRT1.5 resultou em deficiência de K em brotos com baixa nutrição NO3, enquanto a composição elementar da raiz não foi alterada. Os dados de expressão gênica corroboraram a deficiência de K na parte aérea nrt1.5-5, enquanto a raiz respondeu com uma expressão diferencial dos genes envolvidos no equilíbrio catião-anião. Um experimento de enxertia confirmou que a presença de NPF7.3/NRT1.5 na raiz é um pré-requisito para a translocação adequada de K+ da raiz para o broto sob baixo suprimento de NO3. Uma vez que o  retificador externo de K+ estelar ativado por despolarização (SKOR),  foi anteriormente descrito como um dos principais contribuidores para a translocação de K+ da raiz para a parte aérea em Arabidopsis, abordamos a hipótese de que NPF7.3/NRT1.5-A translocação mediada por NO3 pode afetar o carregamento do xilema e a translocação de K+ raiz-para-brota via SKOR. De fato, o crescimento de nrt1.5-5 e SKOR-2 mutantes simples e duplos sob diferentes regimes K/NO3 revelou que ambas as proteínas contribuem para a translocação de K+ da raiz ao rebento. A atividade do SKOR domina sob alta oferta de NO3 e baixa oferta de K+, enquanto que o NPF7.3/NRT1.5 é necessário sob baixa disponibilidade de NO3. Este estudo desvela as condições nutricionais como um fator crítico para a atividade conjunta de SKOR e NPF7.3/NRT1.5 para homeostase de brotos K.

Abstract

Root-to-shoot translocation and shoot homeostasis of potassium (K) determine nutrient balance, growth, and stress tolerance of vascular plants. To maintain the cation-anion balance, xylem loading of K⁺ in the roots relies on the concomitant loading of counteranions, like nitrate (NO₃  ⁻). However, the coregulation of these loading steps is unclear. Here, we show that the bidirectional, low-affinity Nitrate Transporter1 (NRT1)/Peptide Transporter (PTR) family member NPF7.3/NRT1.5 is important for the NO₃  ⁻-dependent K⁺ translocation in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Lack of NPF7.3/NRT1.5 resulted in K deficiency in shoots under low NO₃  ⁻ nutrition, whereas the root elemental composition was unchanged. Gene expression data corroborated K deficiency in the nrt1.5-5 shoot, whereas the root responded with a differential expression of genes involved in cation-anion balance. A grafting experiment confirmed that the presence of NPF7.3/NRT1.5 in the root is a prerequisite for proper root-to-shoot translocation of K⁺ under low NO₃  ⁻ supply. Because the depolarization-activated Stelar K⁺ Outward Rectifier (SKOR) has previously been described as a major contributor for root-to-shoot translocation of K⁺ in Arabidopsis, we addressed the hypothesis that NPF7.3/NRT1.5-mediated NO₃  ⁻ translocation might affect xylem loading and root-to-shoot K⁺ translocation through SKOR. Indeed, growth of nrt1.5-5 and skor-2 single and double mutants under different K/NO₃  ⁻ regimes revealed that both proteins contribute to K⁺ translocation from root to shoot. SKOR activity dominates under high NO₃  ⁻ and low K⁺ supply, whereas NPF7.3/NRT1.5 is required under low NO₃  ⁻ availability. This study unravels nutritional conditions as a critical factor for the joint activity of SKOR and NPF7.3/NRT1.5 for shoot K homeostasis.