Phosphorus toxicity disrupts Rubisco activation and reactive oxygen species defence systems by phytic acid accumulation in leaves
Resumo
O fósforo (P) é um nutriente mineral essencial para as plantas. No entanto, o acúmulo excessivo de P nas células do mesofilo da folha causa sintomas necróticos em plantas terrestres; esse fenômeno é chamado de toxicidade por P. No entanto, os mecanismos detalhados subjacentes à toxicidade do P nas plantas ainda não foram elucidados. O objetivo deste estudo foi investigar o mecanismo molecular da toxicidade de P no arroz. Descobrimos que, sob a aplicação excessiva de P inorgânico (Pi), a ativação da Rubisco diminuiu e a fotossíntese foi inibida, levando à peroxidação de lipídios. Embora os sistemas de defesa contra o acúmulo de espécies reativas de oxigênio tenham sido ativados sob condições de aplicação excessiva de Pi, as atividades da superóxido dismutase do tipo Cu/Zn foram inibidas. Uma análise metabólica revelou que a aplicação excessiva de Pi levou a um aumento na concentração de fosfato de açúcar citosólico e à ativação da síntese de ácido fítico. Essas condições induziram a expressão de mRNA de genes que são ativados em condições de deficiência de metal, embora os metais tenham se acumulado. Esses resultados sugerem que a toxicidade do P é desencadeada pela atenuação da fotossíntese e da disponibilidade de metais nas células, mediada pelo acúmulo de ácido fítico. Aqui, discutimos todo o fenômeno da toxicidade de P, começando pelo acúmulo de Pi nas células até a morte das plantas terrestres.
Abstract
Phosphorus (P) is an essential mineral nutrient for plants. Nevertheless, excessive P accumulation in leaf mesophyll cells causes necrotic symptoms in land plants; this phenomenon is termed P toxicity. However, the detailed mechanisms underlying P toxicity in plants have not yet been elucidated. This study aimed to investigate the molecular mechanism of P toxicity in rice. We found that under excessive inorganic P (Pi) application, Rubisco activation decreased and photosynthesis was inhibited, leading to lipid peroxidation. Although the defence systems against reactive oxygen species accumulation were activated under excessive Pi application conditions, the Cu/Zn-type superoxide dismutase activities were inhibited. A metabolic analysis revealed that excessive Pi application led to an increase in the cytosolic sugar phosphate concentration and the activation of phytic acid synthesis. These conditions induced mRNA expression of genes that are activated under metal-deficient conditions, although metals did accumulate. These results suggest that P toxicity is triggered by the attenuation of both photosynthesis and metal availability within cells mediated by phytic acid accumulation. Here, we discuss the whole phenomenon of P toxicity, beginning from the accumulation of Pi within cells to death in land plants.
D. Takagi
A. Miyagi
Y. Tazoe
M. Suganami
M. Kawai‐Yamada
A. Ueda
Y. Suzuki
K. Noguchi
N. Hirotsu
A. Makino
2020 - Plant Cell Environment
