Potassium deficiency induces the biosynthesis of oxylipins and glucosinolates in Arabidopsis thaliana

Resumo

Contexto: A adubação mineral e o controle de pragas são requisitos essenciais e caros para a produção agrícola moderna. As duas medidas andam de mãos dadas porque o estado mineral das plantas afeta a susceptibilidade das mesmas às pragas e vice-versa. A deficiência de nutrientes desencadeia respostas específicas em plantas que otimizam a aquisição de nutrientes e reprogramam o metabolismo. Plantas com deficiência de K ilustram essas estratégias induzindo a alta afinidade na captação de K e ajustando o metabolismo primário. Não se sabe se e como as plantas com deficiência de K também alteram seu metabolismo secundário para a gestão e defesa dos nutrientes.

Resultados: Aqui mostramos que as plantas deficientes em K contêm níveis mais elevados de ácido jasmônico (JA), ácido 12-hidroperoxido-octadecatrienóico (HODs) e ácido 12-oxo-fitodienóico (OPDA) do que plantas suficientes em K. A regulação ascendente da via 13-LOX em resposta ao baixo K foi evidente no aumento dos níveis de transcrição de várias enzimas biossintéticas. Indol e glucosinolatos alifáticos acumulados em resposta à deficiência de K de uma forma que foi, respectivamente, dependente ou independente da sinalização através de Coronatina-Insensitive 1 (COI1). Os perfis de transcritos e glucosinolatos de plantas deficientes em K se assemelhavam aos das plantas atacadas por herbívoros.

Conclusões: Com base em nossos resultados, propomos que sob deficiência de K as plantas produzam oxilipinas e glucosinolatos para aumentar seu potencial de defesa contra insetos herbívoros e criar armazenamento reversível do excesso de S e N.

Abstract

Background: Mineral fertilization and pest control are essential and costly requirements for modern crop production. The two measures go hand in hand because plant mineral status affects plant susceptibility to pests and vice versa. Nutrient deficiency triggers specific responses in plants that optimize nutrient acquisition and reprogram metabolism. K-deficient plants illustrate these strategies by inducing high-affinity K-uptake and adjusting primary metabolism. Whether and how K deficient plants also alter their secondary metabolism for nutrient management and defense is not known.

Results: Here we show that K-deficient plants contain higher levels of the phytohormone jasmonic acid (JA), hydroxy-12-oxo-octadecadienoic acids (HODs) and 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) than K-sufficient plants. Up-regulation of the 13-LOX pathway in response to low K was evident in increased transcript levels of several biosynthetic enzymes. Indole and aliphatic glucosinolates accumulated in response to K-deficiency in a manner that was respectively dependent or independent on signaling through Coronatine-Insensitive 1 (COI1). Transcript and glucosinolate profiles of K-deficient plants resembled those of herbivore attacked plants.

Conclusions: Based on our results we propose that under K-deficiency plants produce oxylipins and glucosinolates to enhance their defense potential against herbivorous insects and create reversible storage for excess S and N.