Ustilago maydis Infection Strongly Alters Organic Nitrogen Allocation in Maize and Stimulates Productivity of Systemic Source Leaves

Resumo

O basidiomiceto Ustilago maydis é o agente causal da doença do carvão do milho e induz a formação de tumores durante o crescimento biotrófico em seu hospedeiro, o milho (Zea mays). Realizamos uma pesquisa combinada de metaboloma e transcriptoma de folhas infectadas entre 1 dia após a infecção (DAI) e 8 DAI, representando primórdios de folhas infectadas e tumores totalmente desenvolvidos, respectivamente. Aos 4 e 8 DAI, observamos um aumento substancial no conteúdo dos aminoácidos ricos em nitrogênio glutamina e asparagina, enquanto as atividades das enzimas envolvidas na assimilação primária de nitrogênio e o conteúdo de amônia e nitrato foram reduzidos em 50% nos tumores em comparação com os controles simulados. Empregando a marcação de isótopos estáveis, pudemos demonstrar que os tumores induzidos por U. maydis apresentam uma assimilação reduzida de 15NO3- derivado do solo e representam fortes sumidouros de nitrogênio. A marcação específica do pool de aminoácidos livres das folhas de origem sistêmica com ureia[15N] revelou um aumento na importação de nitrogênio orgânico das folhas sistêmicas para o tecido tumoral, indicando que o fornecimento de nitrogênio orgânico apoia a formação de tumores induzidos por U. maydis. Por sua vez, a exportação de aminoácidos das folhas de origem sistêmica foi duplicada nas plantas infectadas. A análise do pool de aminoácidos do floema revelou que a glutamina e a asparagina não são transportadas para o tecido do tumor, embora esses dois aminoácidos tenham se acumulado dentro do tumor. A fotossíntese foi aumentada e a senescência foi retardada nas folhas de origem sistêmica após o desenvolvimento do tumor em plantas infectadas, indicando que a demanda elevada de nitrogênio no reservatório poderia determinar as taxas fotossintéticas nas folhas de origem.

Abstract

The basidiomycete Ustilago maydis is the causal agent of corn smut disease and induces tumor formation during biotrophic growth in its host maize (Zea mays). We have conducted a combined metabolome and transcriptome survey of infected leaves between 1 d post infection (dpi) and 8 dpi, representing infected leaf primordia and fully developed tumors, respectively. At 4 and 8 dpi, we observed a substantial increase in contents of the nitrogen-rich amino acids glutamine and asparagine, while the activities of enzymes involved in primary nitrogen assimilation and the content of ammonia and nitrate were reduced by 50% in tumors compared with mock controls. Employing stable isotope labeling, we could demonstrate that U. maydis-induced tumors show a reduced assimilation of soil-derived ¹⁵NO₃⁻ and represent strong sinks for nitrogen. Specific labeling of the free amino acid pool of systemic source leaves with [¹⁵N]urea revealed an increased import of organic nitrogen from systemic leaves to tumor tissue, indicating that organic nitrogen provision supports the formation of U. maydis-induced tumors. In turn, amino acid export from systemic source leaves was doubled in infected plants. The analysis of the phloem amino acid pool revealed that glutamine and asparagine are not transported to the tumor tissue, although these two amino acids were found to accumulate within the tumor. Photosynthesis was increased and senescence was delayed in systemic source leaves upon tumor development on infected plants, indicating that the elevated sink demand for nitrogen could determine photosynthetic rates in source leaves.