Real time visualization of 13N-translocaton in rice under different environmental conditions using positron emitting tracer imaging system

Resumo

O íon amônio é uma fonte de nitrogênio indispensável para as culturas, especialmente para o arroz paddy (Oryza sativa L. cv Nipponbare). Até agora, era impossível medir a absorção de amônio e o movimento do nitrogênio nas plantas em tempo real. Usando as novas tecnologias sistema de imagem de traçador emissor de pósitrons (PETIS, do inglês: positron emitting tracer imaging system) e sistema de sonda múltipla de pósitrons (PMPS, do inglês: positron multi-probe system), conseguimos visualizar a translocação em tempo real de nitrogênio e água em plantas de arroz. Usamos amônio marcado com 13N (13NH4+) e água 15O- emissores de pósitrons para monitorar o movimento. Em plantas cultivadas em condições normais, o 13NH4+ fornecido às raízes foi absorvido, e um sinal de 13N foi detectado no centro de discriminação, a parte basal da planta (base do colmo), em 2 minutos. Essa rápida translocação de (13)N foi quase completamente inibida por um inibidor da glutamina sintetase, a metionina sulfoximina. Em geral, a deficiência de nitrogênio aumentou a translocação de 13N para o centro de discriminação. No escuro, a translocação de 13N para o centro de discriminação foi suprimida para 40% dos níveis de controle, enquanto o fluxo de água de 15O da raiz para o centro de discriminação parou completamente. No arroz tratado com ácido abscísico, a translocação de 13N para o centro de discriminação foi duplicada, enquanto a translocação para as folhas diminuiu para 40% dos níveis de controle. O pré-tratamento com NO3- por 36 horas aumentou a translocação de 13N das raízes para o centro de discriminação para 5 vezes os níveis de controle. Esses resultados sugerem que a assimilação de amônio (das raízes para o centro de discriminação) depende passivamente do fluxo de água, mas ativamente do(s) transportador(es) de NH4+ ou da(s) glutamina(s) sintetase(s).

 

 

Abstract

The ammonium ion is an indispensable nitrogen source for crops, especially paddy rice (Oryza sativa L. cv Nipponbare). Until now, it has been impossible to measure ammonium uptake and nitrogen movement in plants in real time. Using the new technologies of PETIS (positron emitting tracer imaging system) and PMPS (positron multi-probe system), we were able to visualize the real time translocation of nitrogen and water in rice plants. We used positron-emitting 13N-labeled ammonium (13NH4+) and 15O-water to monitor the movement. In plants cultured under normal conditions, 13NH4+ supplied to roots was taken up, and a 13N signal was detected at the discrimination center, the basal part of the shoots, within 2 minutes. This rapid translocation of (13)N was almost completely inhibited by a glutamine synthetase inhibitor, methionine sulfoximine. In general, nitrogen deficiency enhanced 13N translocation to the discrimination center. In the dark, 13N translocation to the discrimination center was suppressed to 40% of control levels, whereas 15O-water flow from the root to the discrimination center stopped completely in the dark. In abscisic acid-treated rice, 13N translocation to the discrimination center was doubled, whereas translocation to leaves decreased to 40% of control levels. Pretreatment with NO3- for 36 hours increased 13N translocation from the roots to the discrimination center to 5 times of control levels. These results suggest that ammonium assimilation (from the roots to the discrimination center) depends passively on water flow, but actively on NH4+-transporter(s) or glutamine synthetase(s).