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Naturaleza Plantas (2023)Citar este artículo

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La toxicidad del amonio que afecta el metabolismo y el desarrollo de las plantas es un problema mundial que impide la producción de cultivos. Sorprendentemente, el arroz (Oryza sativa L.) prefiere el amonio como principal fuente de nitrógeno en los arrozales. Configuramos una evaluación genética directa para descifrar los mecanismos moleculares que confieren tolerancia al amonio del arroz e identificamos a Rohan que muestra hipersensibilidad de las raíces al amonio debido a una mutación sin sentido en un gen que codifica la argininosuccinato liasa (ASL). ASL se localiza en plastidios y su expresión es inducida por amonio. ASL alivia el alargamiento de la raíz inhibido por el amonio al convertir el exceso de glutamina en arginina. En consecuencia, la arginina conduce a la acumulación de auxinas en el meristemo de la raíz, estimulando así el alargamiento de la raíz en condiciones altas de amonio. Además, identificamos una variación natural en el alelo ASL entre las subespecies japonica e indica, lo que explica su diferente sensibilidad de las raíces hacia el amonio. Finalmente, mostramos que la expresión de ASL se correlaciona positivamente con la tolerancia al amonio de las raíces y que la eficiencia y el rendimiento del uso de nitrógeno se pueden mejorar mediante un enfoque de ganancia de función.

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Los conjuntos de datos sin procesar de secuenciación del genoma completo (WGS) y los conjuntos de datos de RNA-seq se han depositado en NCBI BioProject (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject) con los números de acceso PRJNA808438 y PRJNA808101. Los conjuntos de datos de metabolómica ampliamente dirigida están depositados en OMIX, Centro de Bioinformación de China/Instituto de Genómica de Beijing, Academia de Ciencias de China con número de acceso OMIX004476 (https://ngdc.cncb.ac.cn/omix), y también están disponibles en la Tabla complementaria 1. Los datos originales se proporcionan con este documento. Para cualquier conjunto de datos que no esté disponible a través de los enlaces anteriores, se puede solicitar al autor correspondiente.

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Agradecemos a H. Qu, X. Dai y K. Qian por su ayuda técnica con los ensayos de captación de 15N y las imágenes confocales. Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional Clave para Investigación y Desarrollo de China (subvención n.° 2021YFF1000403), el Proyecto de la Ciudad Científica y Tecnológica de la Bahía de Sanya Yazhou (subvención n.° SCKJ-JYRC-2022-21), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales (subvención n.° 32072658 y 31822047), Programa Clave de Investigación y Desarrollo de la Provincia de Jiangsu (subvención n.º BE2020339), Proyecto de Revitalización de la Industria de Semillas de Jiangsu (subvención n.º JBGS [2021] 011) y Fundación de Investigación – Flandes: Fondo de Cooperación Científica Bilateral con China (subvención nº G002817N). YX cuenta con el apoyo de una subvención del Consejo de Becas de China (subvención n.º 201806850032).

Estos autores contribuyeron igualmente: Yuanming Xie, Yuanda Lv.

Laboratorio Estatal Clave de Genética de Cultivos y Mejoramiento y Utilización de Germoplasma y Laboratorio Clave del MOA de Nutrición y Fertilización Vegetal en el Tramo Medio-Bajo del Río Yangtze, Instituto Sanya de la Universidad Agrícola de Nanjing, Universidad Agrícola de Nanjing, Nanjing, China

Yuanming Xie, Letian Jia, Lulu Zheng, Yonghui Li, Ming Zhu, Long Luo, Shaoyan Lin, Le Luo, Guohua Xu y Wei Xuan

Departamento de Biotecnología Vegetal y Bioinformática, Universidad de Gante, Gante, Bélgica

Yuanming Xie, Hugues De Gernier, Pierre-Mathieu Pélissier, Hans Motte y Tom Beeckman

Centro VIB-UGent de Biología de Sistemas Vegetales, Gante, Bélgica

Yuanming Xie, Hugues De Gernier, Pierre-Mathieu Pélissier, Hans Motte y Tom Beeckman

Centro de Excelencia e Innovación, Academia de Ciencias Agrícolas de Jiangsu, Nanjing, China

Yuanda Lv y Weicong Qi

Departamento de Fitopatología, Universidad Agrícola de Nanjing, Nanjing, China

Mengjun Tian y Ming Wang

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WX y TB dirigieron los experimentos. YX e Y. Lv realizaron la mayoría de los experimentos y análisis. LJ, LZ, MZ y Long Luo ayudaron con la construcción de vectores. Y. Li ayudó con la sección de raíces. MT y MW ayudaron al análisis del contenido de ácido indol-3-acético. WQ ayudó al análisis de fenotipado. HDGP-MP y HM ayudaron a obtener imágenes. SL y Le Luo ayudaron en el análisis del contenido de aminoácidos. Todos los autores discutieron los resultados y contribuyeron a la finalización del manuscrito.

Correspondencia a Tom Beeckman o Wei Xuan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Plants agradece a Takushi Hachiya y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

a, Raíces seminales relativas (SR) de plántulas de tipo salvaje (WT) y rohan tratadas con concentraciones variables de NH4+ y NO3− durante 6 días. b, Longitud relativa de SR de plantas WT y rohan tratadas sin o con NH4+ 2,5 mM durante un día a cinco días. c, d, fenotipo de raíz (c) y longitud de SR (d) de plántulas WT y rohan cultivadas en solución de Kimura B modificada suministrada con o sin los elementos nutrientes indicados. Barras de escala, 1 cm. Los datos representan las medias ± sd (los números en las columnas representan el número de plántulas individuales tratadas). e, f, fenotipo de raíz (e) y longitud SR (f) de plántulas WT y rohan cultivadas en H2O suministradas con o sin los nutrientes indicados. las concentraciones de productos químicos se utilizaron de la siguiente manera: Gln 0,3 mM, (NH4)2SO4 1,25 mM, NaH2PO4 0,3 mM, K2SO4 0,65 mM, CaCl2 1 mM, MgSO4 1 mM, EDTA-Fe 20 μM y Na2SiO3 0,5 mM. Barras de escala, 1 cm. Los datos representan las medias ± sd (los números en las columnas representan el número de plántulas individuales tratadas). h,i, Imágenes confocales (h) y longitud de las células de la corteza (i) en la zona de maduración de las raíces de plántulas WT y rohan tratadas con o sin NH4+ durante 4 días. Ep, epidermis. Ex, exodermis. Sc, esclerénquima. Co, corteza. Barras de escala, 100 μm. Los datos representan las medias ± sd (los números en las columnas representan el número de plántulas individuales tratadas). a,b, diagrama de caja, mediana (línea central), cuartiles superior/inferior (cuadro), mínimo/máximo (bigotes) (n indica el número de plántulas individuales tratadas), y los asteriscos indican diferencias significativas entre WT y rohan bajo cada concentración de NH4+ o NO3− (a) o cada día (b) (prueba t de Student bilateral, ****P < 0,0001). c,e, Las líneas de puntos amarillas indican las posiciones de la punta de la raíz cuando las semillas se transfirieron a medios suministrados con o sin los nutrientes indicados. f,i, Los asteriscos indican diferencias significativas (prueba t de Student bilateral); ns, no significativo.

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Datos fuente

a, Fenotipos de raíz del tipo salvaje (WT), rohan y la progenie F1 del retrocruzamiento rohan x tipo salvaje tratado con NH4+ 2,5 mM durante 6 días. 12 plántulas de progenie F1 independientes mostraron un fenotipo de raíz idéntico. Barra de escala, 1 cm. b, Estadística de segregación de los fenotipos de raíz de tipo salvaje y rohan en la progenie F2 del retrocruzamiento. c, análisis de asociación de distancia euclidiana del intervalo candidato ASL en el genoma del arroz. La ED4 se calculó en función de la frecuencia de SNP e InDel. La flecha roja indica la ubicación cromosómica del gen ASL. ED, distancia euclidiana. d, Mapa esquemático de los sitios de mutación en las líneas knockout CRISPR de ASL. Los triángulos rojos indican los sitios objetivo de la mutación.

a, Árbol filogenético de ASL establecido con el software MEGA 7.0 mediante el método de unión de vecinos con 1000 ensayos de arranque. Los números en la rama indican valores de arranque. Escherichia coli (Ec), Triticum aestivum (TAE), Oryza sativa (Os), Medicago truncatula (Mt), Selaginella moellendorffii (Sm), Arabidopsis thaliana (At), Sorghum bicolor (Sb), Zea mays (Zm), Hordeum vulgare (HV), Brachypodium distachyon (Bd). b, Patrón de expresión de proASL:GUS en los tejidos de las raíces de plántulas de tipo salvaje (Oryza sativa cv. Wuyungeng7). LR, raíz lateral; LRP, primordio de raíz lateral; DZ, zona de diferenciación; MZ, zona de meristemo. Se obtuvieron resultados similares a partir de secciones de raíces de tres plántulas independientes. Barras de escala, 100 μm. T-LRP, sección transversal del primordio de la raíz lateral. T-DZ, sección transversal de la zona de diferenciación radicular. T-MZ, sección transversal de la zona del meristemo radicular. Barras de escala, 100 μm. c, Alineación de la secuencia de aminoácidos de ASL en diferentes especies de plantas utilizando el software ESPript 3. La punta de flecha roja indica la ubicación del sitio de mutación. Números de acceso para secuencias alineadas: EcASL, WP_109536061.1; En ASL, NP_196653.1; OsASL, XP_015632553.1; BdASL, XP_010228716.1; HvASL, BAJ96216.1; SmASL, EFJ24721.1; MtASL, XP_003602904.2; TaeASL, XP_044394196.1.

a, Mapa esquemático de los sitios de mutación en las líneas desactivadas CRISPR de la glutamina sintestasa (GS1;1). b, Cuantificación del contenido de Gln en las puntas de las raíces de líneas de tipo salvaje (Oryza sativa cv. Nipponbare) y dos líneas mutantes gs1;1 tratadas con o sin NH4+ 2,5 mM durante 6 días. Los datos representan las medias ± sd de tres repeticiones biológicas, y los asteriscos indican diferencias significativas en relación con el tipo salvaje (prueba t de Student bilateral). ns, no significativo. c, Nivel de expresión relativo de ASL en la punta de la raíz de plántulas de tipo salvaje, gs1;1-1, gs1;1-2, qko-1 y qko-2 bajo tratamientos con o sin NH4+ 2,5 mM durante 3 días. Los datos representan las medias ± se de tres réplicas biológicas, y los asteriscos indican diferencias significativas en relación con N-libre (prueba t de Student bilateral). Resultados similares fueron obtenidos en tres experimentos independientes.

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a, Análisis de componentes principales (PCA) entre tipo salvaje (WT) y rohan. b, Perfil de clasificación abundante de metabolitos basado en log2 (cambio de pliegue) y valor p entre tipo salvaje y rohan. c, Distribución de metabolitos diferenciales. El rojo representa la regulación positiva en rohan, mientras que el azul representa la regulación negativa. d, clasificación KEGG de metabolitos diferenciales entre WT y rohan. e, análisis de enriquecimiento KEGG de metabolitos diferenciales entre WT y rohan.

a, Contenido de aminoácidos libres en las raíces de tipo salvaje (WT), rohan y rohan-C1 tratadas con o sin NH4+ 2,5 mM durante 6 días. rohan-C1 es una línea complementaria del rohan. Los datos representan las medias ± sd de cuatro repeticiones biológicas, y los asteriscos indican diferencias significativas en relación con WT (prueba t de Student bilateral), ND, no detectada. b, c, Fenotipo de raíz (b) y longitud relativa de las raíces seminales (SR) (c) de plántulas WT y rohan cultivadas con los tratamientos indicados durante 6 días. La línea de puntos blanca indica la posición de la punta de la raíz cuando las plántulas se transfirieron a un medio provisto de los químicos indicados. Barras de escala, 1 cm. Los datos representan las medias ± sd (los números en las columnas representan el número de plántulas individuales tratadas) y las letras denotan diferencias significativas (P <0,05, mediante ANOVA unidireccional seguido de la prueba de Duncan). d, Longitud relativa de las raíces seminales (SR) de plántulas WT y rohan tratadas con concentraciones variables de Gln, MSO y Arg, en las condiciones de N indicadas durante 6 días. Diagrama de caja, mediana (línea central), cuartiles superior/inferior (cuadro), mínimo/máximo (bigotes) (n indica el número de plántulas individuales tratadas) y los asteriscos indican diferencias significativas en relación con WT o rohan bajo tratamiento de control (0 mM Gln , MSO o Arg) (prueba t de Student bilateral, *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001 y ****P < 0,0001). Resultados similares fueron obtenidos en tres experimentos independientes.

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a, diagrama de Venn que muestra el número de genes expresados diferencialmente afectados por el tratamiento con NH4+ 2,5 mM en las puntas de las raíces de tipo salvaje (WT) y rohan. b, Análisis de enriquecimiento del conjunto de genes de genes expresados diferencialmente según las bases de datos GO y KEGG entre el tipo salvaje y el rohan. c, resultados de GSEA de conjuntos de genes relacionados con el metabolismo del nitrógeno en rohan en comparación con WT bajo tratamiento de uno y tres días con NH4+ 2,5 mM, prueba de permutación, bilateral. d, Mapa de calor de los valores de puntuación Z de la abundancia de expresión de genes asociados con el metabolismo del nitrógeno. Cada tratamiento es una columna, mientras que cada fila es un gen. El color varió desde rojo para valores positivos de puntuación Z hasta azul para valores negativos. e, Nivel de expresión relativo de los genes indicados en las puntas de las raíces de plántulas WT y Rohan tratadas con o sin NH4+ 2,5 mM durante 3 días. Los datos representan las medias ± se de tres repeticiones biológicas, y los asteriscos indican diferencias significativas (prueba t de Student bilateral).

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Niveles de expresión relativos de genes asociados al flujo de protones indicados en las puntas de las raíces de plántulas de tipo salvaje (WT) y rohan tratadas con o sin NH4+ 2,5 mM durante 3 días. Los datos representan las medias ± se de tres repeticiones biológicas, y los asteriscos indican diferencias significativas (prueba t de Student bilateral).

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a, Resultados de GSEA de conjuntos de genes relacionados con la transducción de señales de hormonas vegetales en rohan en comparación con el tipo salvaje (WT) bajo un tratamiento de uno y tres días con niveles altos de NH4+, prueba de permutación, bilateral. b, Cuantificación del contenido de AIA libre en raíces de plántulas WT, rohan y rohan-C1 (línea complementaria del rohan) tratadas con o sin NH4+ 2,5 mM, Gln 0,3 mM, Arg 0,3 mM y su combinación durante 6 días. Los datos representan las medias ± sd de 5 réplicas biológicas y los asteriscos indican diferencias significativas en relación con WT (prueba t de Student bilateral). ND, no detectado. c, Patrón de expresión de DR5rev: 3xVENUS-N7 en las puntas de las raíces de WT y plántulas de rohan cultivadas en condiciones libres de N durante 48 h (en relación con la Fig. 4d). Las puntas de flecha blanca y verde indican St (estela) y Ep (epidermis), respectivamente. Resultados similares fueron obtenidos en tres experimentos independientes. Barra de escala, 100 μm. d, Longitud relativa SR de las raíces seminales (SR) de plántulas WT y rohan tratadas con NPA o BUM, en condiciones libres de N durante 6 días (en relación con la Fig. 4g). Diagrama de caja, mediana (línea central), cuartiles superior/inferior (cuadro), mínimo/máximo (bigotes) (n indica el número de plántulas individuales tratadas) y los asteriscos indican diferencias significativas entre WT y rohan bajo cada concentración de BUM o NPA ( prueba t de Student bilateral). e, Niveles de expresión relativos de PIN en la punta de la raíz de plántulas WT y rohan en tratamientos con NH4+ 2,5 mM durante 3 días. Los datos representan las medias ± se de tres réplicas biológicas, y los asteriscos indican diferencias significativas (prueba t de Student bilateral). f, Mapa esquemático de la mutación de las líneas desactivadoras CRISPR de PIN1a y PIN1b. Los triángulos rojos indican los sitios objetivo de la mutación. g, Cuantificación del contenido de AIA libre en la raíz de plántulas WT y pin1apin1b tratadas con o sin NH4+ 2,5 mM durante 6 días. Los datos representan las medias ± sd de 5 réplicas biológicas, y los asteriscos indican diferencias significativas (prueba t de Student bilateral).

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Figuras complementarias 1 a 5.

Tabla complementaria 1 Perfil de metabolitos de plántulas de tipo salvaje y rohan. Tabla complementaria 2 Secuencias de cebadores utilizados en este estudio.

Tabla 1 Datos de origen estadístico para la figura complementaria 2. Tabla 2 Datos de origen estadístico para la figura complementaria 3. Tabla 3 Datos de origen estadístico para la figura complementaria 4. Tabla 4 Datos de origen estadístico para la figura complementaria 5.

Datos de fuente estadística.

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Reimpresiones y permisos

Xie, Y., Lv, Y., Jia, L. et al. El metabolismo de los aminoácidos localizado en los plástidos coordina la tolerancia al amonio del arroz y la eficiencia en el uso del nitrógeno. Nat. Plantas (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01494-x

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Recibido: 24 de marzo de 2022

Aceptado: 19 de julio de 2023

Publicado: 21 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-023-01494-x

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