NRT1.5/NPF7.3 Functions as a Proton-Coupled H+/K+ Antiporter for K+ Loading into the Xylem in Arabidopsis

Resumo

O potássio e o nitrogênio são macronutrientes essenciais para o crescimento das plantas e têm um impacto positivo no rendimento das colheitas. Estudos anteriores indicaram que a absorção e a translocação de K+ e NO3- estão correlacionadas entre si nas plantas; no entanto, o mecanismo molecular que coordena o transporte de K+ e NO3- permanece desconhecido. Neste estudo, usando uma abordagem genética direta, isolamos um mutante de Arabidopsis thaliana sensível a baixo teor de K+, lks2, que apresentou um fenótipo de clorose foliar em condições de baixo teor de K+. O LKS2 codifica o transportador NRT1.5/NPF7.3, um membro da família NRT1/PTR (Nitrate Transporter 1/Peptide Transporter). Os mutantes lks2/nrt1.5 apresentam um defeito notável na translocação de K+ e NO3- da raiz para o caule, especialmente em condições de baixo K+. Este estudo demonstra que o LKS2 (NRT1.5) funciona como um antiporte de H+/K+ acoplado a prótons. O gradiente de prótons pode promover a liberação de K+ mediada por NRT1.5 das células do parênquima da raiz e facilitar o carregamento de K+ no xilema. Este estudo revela que o NRT1.5 desempenha um papel crucial na translocação de K+ da raiz para o caule e também está envolvido na coordenação da distribuição de K+/NO3- nas plantas.

Abstract

Potassium and nitrogen are essential macronutrients for plant growth and have a positive impact on crop yield. Previous studies have indicated that the absorption and translocation of K⁺ and NO₃⁻ are correlated with each other in plants; however, the molecular mechanism that coordinates K⁺ and NO₃⁻ transport remains unknown. In this study, using a forward genetic approach, we isolated a low-K⁺-sensitive Arabidopsis thaliana mutant, lks2, that showed a leaf chlorosis phenotype under low-K⁺ conditions. LKS2 encodes the transporter NRT1.5/NPF7.3, a member of the NRT1/PTR (Nitrate Transporter 1/Peptide Transporter) family. The lks2/nrt1.5 mutants exhibit a remarkable defect in both K⁺ and NO₃⁻ translocation from root to shoot, especially under low-K⁺ conditions. This study demonstrates that LKS2 (NRT1.5) functions as a proton-coupled H⁺/K⁺ antiporter. Proton gradient can promote NRT1.5-mediated K⁺ release out of root parenchyma cells and facilitate K⁺ loading into the xylem. This study reveals that NRT1.5 plays a crucial role in K⁺ translocation from root to shoot and is also involved in the coordination of K⁺/NO₃⁻ distribution in plants.