The potassium battery: a mobile energy source for transport processes in plant vascular tissues

Resumo

As raízes das plantas absorvem íons potássio do solo e os transportam no xilema via corrente transpiratória para a parte aérea. Lá, em tecidos-fonte onde energia química suficiente (ATP) está disponível, o K⁺ é carregado no floema e então transportado com a corrente floemática para outras partes da planta; em parte, o transporte também retorna às raízes. Esse ciclo aparentemente fútil do K⁺ foi descoberto ser parte de um mecanismo sofisticado que (1) permite à parte aérea comunicar sua demanda nutricional à raiz, (2) contribui para a nutrição potássica dos tecidos do floema de transporte e (3) transporta energia armazenada no gradiente de K⁺ entre o citosol do floema e o apoplasto. Essa bateria de potássio pode ser acionada pela abertura de canais de potássio semelhantes ao AKT2 e então permite a energização independente de ATP de outros processos de transporte, como a recarga de sacarose. Insights sobre esses mecanismos só foram possíveis pela combinação de experimentos de laboratório úmido (wet-lab) e laboratório seco (dry-lab) por meio de modelagem e simulações de biologia celular computacional.

Abstract

Plant roots absorb potassium ions from the soil and transport them in the xylem via the transpiration stream to the shoots. There, in source tissues where sufficient chemical energy (ATP) is available, K+ is loaded into the phloem and then transported with the phloem stream to other parts of the plant; in part, transport is also back to the roots. This, at first sight, futile cycling of K+ has been uncovered to be part of a sophisticated mechanism that (1) enables the shoot to communicate its nutrient demand to the root, (2) contributes to the K+ nutrition of transport phloem tissues and (3) transports energy stored in the K+ gradient between phloem cytosol and the apoplast. This potassium battery can be tapped by opening AKT2-like potassium channels and then enables the ATP-independent energization of other transport processes, such as the reloading of sucrose. Insights into these mechanisms have only been possible by combining wet-lab and dry-lab experiments by means of computational cell biology modeling and simulations.