Участие сенсора нитратов NRT1.1 в регуляции уровня цитокининов и удлинения корней в норме и при дефиците азота

Транспортер нитратов NRT1.1 действует как сенсор нитратов, запуская определенные реакции растений. В то же время фитогормоны цитокинины часто участвуют в регуляции ростовых ответов растений на изменение уровня нитратов. В данной работе мы проверили предположение, что сенсор NRT1.1 способен участвовать в контроле уровня цитокининов. Для этого мы изучили влияние мутации гена NRT1.1 на гормональные и ростовые реакции растений при удалении азота из среды. Опытными объектами были растения араби-допсиса (Arabidopsis thaliana) исходного экотипа Columbia и мутантные по гену NRT1 (chl1-5). Использовали два варианта экспериментального дизайна: (1) растения выращивали на растворе Хогланда-Арнона, удаление азота осуществляли путем замены нитратов на хлориды; (2) использовалась среда Прянишникова, азотное голодание создавали путем удаления нитрата аммония. Мы впервые показали, что мутация NRT1.1 приводит к снижению уровня цитокининов в корнях chl1-5, в результате чего у них формируются более длинные корни по сравнению с растениями Columbia. Содержание цитокининов в растениях Columbia снижалось в ответ на оба варианта исключения азота из среды, и параллельно этим изменениям уровня гормонов ускорялось удлинение корней. Изменение концентрации цитокининов и удлинения корней у мутанта по сенсору NRT1.1 было зарегистрировано лишь при удалении нитрата аммония из среды Прянишникова, но не было зарегистрировано при замене нитрата на хлорид в среде Хогланада-Арнона. Результаты свидетельствуют об участии сенсора NRT1.1 в регуляции уровня цитокининов и скорости элонгации корней при удалении нитратов, но не ионов аммония, что подтверждает специфичность ответа.

1. Sakakibara H., Takei K., Hirose N. Interactions between nitrogen and cytokinin in the regulation of metabolism and development // Trends Plant Sci. 2006. Vol. 11. N. 9. P. 440-448.

2. Kudoyarova G.R., Dodd I.C., Veselov D.S., Rothwell S.A., Veselov S.Y. Common and specific responses to availability of mineral nutrients and water // J. Exp. Bot. 2015. Vol. 66. N. 8. P. 2133-2144.

3. Takei K, Takahashi H, Sugiyama T, Yamaya T, Sakakibara H. Multiple routes communicating nitrogen availability from roots to shoots: a signal transduction pathway mediated by cytokinin // J. Exp. Bot. 2002. Vol. 53. N. 370. P. 971-977.

4. Takei K., Ueda N, Aoki K., Kuromori T, Hirayama T, Shinozaki K, Yamaya T, Sakakibara H. AtIPT3 is a key determinant of nitrate-dependent cytokinin biosynthesis in Arabidopsis // Plant Cell Physiol. 2004. Vol. 45. N 8. P. 1053-1062.

5. Kamada-Nobusada T, Makita N, Kojima M, Sakakibara H. Nitrogen-dependent regulation of de novo cytokinin biosynthesis in rice: the role of glutamine metabolism as an additional signal // Plant Cell Physiol. 2013. Vol. 54. N 11. P. 1881-1893.

6. Salama A., Wareing P.F. Effects of mineral-nutrition on endogenous cytokinins in plants of sunflower (Helianthus annuus) // J. Exp. Bot. 1979. Vol. 30. N. 118. P. 971-981.

7. Korobova A.V., Vysotskaya L.B., Vasinskaya A.N. Kuluev B.R., Veselov S.Yu, Kudoyarova G.R. Dependence of root biomass accumulation on content and metabolism of cytokinins in ethylene-insensitive plants // Russ. J. Plant Physiol. 2016. Vol. 63. N 5. P. 636-643.

8. Ivanov V.B., Filin A.N. Cytokinins regulate root growth through its action on meristematic cell proliferation but not on the transition to differentiation // Funct. Plant Biol. 2017. Vol. 45. N. 2. P. 215-221.

9. Gojon A., Krouk G, Perrine-Walker F, Laugier E. Nitrate transceptor(s) in plants // J. Exp. Bot. 2011. Vol. 62. N. 7. P. 2299-2308.

10. Krouk G, Mirowski P, LeCun Y., Shasha D.E., Coruzzi G.M. Predictive network modeling of the high-resolution dynamic plant transcriptome in response to nitrate // Genome Biol. 2010. Vol. 11: R123.

11. Yu C, Liu Y., Zhang A., Su S., Yan A., Huang L., Ali I., Liu Y., Forde B.G., Gan Y. MADS-box transcription factor OsMADS25 regulates root development through affection of nitrate accumulation in rice // PLoS One. 2015. Vol. 10. N 8: e0135196.

12. Kudoyarova G.R., Korobova A.V., Akhiyarova G.R., Arkhipova T.N., Zaytsev D.Yu, Prinsen E, Egutkin N.L., Medvedev S.S., Veselov S.Yu. Accumulation of cytokinins in roots and their export to the shoots of durum wheat plants treated with the protonophore carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone (CCCP) // J. Exp. Bot. 2014. Vol. 65. N. 9. P. 2287-2294.

13. Wu S, Baskin T.I., Gallagher K.L. Mechanical fixation techniques for processing and orienting delicate samples, such as the root of Arabidopsis thaliana, for light or electron microscopy // Nat. Protoc. 2012. Vol. 7. N. 6. P. 1113-1124.

14. Akhiyarova G.R., Korobova A.V., Veselov S.Yu., Kudoyarova G.R., Veselov D.S. Effects of root cutting on cytokinin content in the shoot apex cells of Arabidopsis plants // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2018. Vol. 73. N 3. P. 172-177.

15. Kiba T, Kudo T, Kojima M, Sakakibara H. Hormonal control of nitrogen acquisition: roles of auxin, abscisic acid, and cytokinin // J. Exp. Bot. 2011. Vol. 62. N. 4. P. 1399-1409.

16. Wang R., XingX., Wang Y., Tran A., Crawford N.M. A genetic screen for nitrate regulatory mutants captures the nitrate transporter gene NRT1.1 // Plant Physiol. 2009. Vol. 151. N. 1. P. 472-478.

17. Motyka V., Vankova R, Capkova V., Petrasek J., Kaminek M, Schmulling T. Cytokinin-induced upregulation of cytokinin oxidase activity in tobacco includes changes in enzyme glycosylation and secretion // Physiol Plant. 2003. Vol. 117. N. 1. P. 11-21.

18. Bai L, Ma X., Zhang G., Song S, Zhou Y., Gao L., Miao Y., Song C.-P. A receptor-like kinase mediates ammonium homeostasis and is important for the polar growth of root hairs in Arabidopsis // Plant Cell. 2014. Vol. 26. N. 4. P. 1497-1511.

19. Roycewicz P. Malamy J.E. Dissecting the effects of nitrate, sucrose and osmotic potential on Arabidopsis root and shoot system growth in laboratory assays // Philos. Trans. R. Soc. London, B. 2012. Vol. 367. N. 1595. P. 1489-1500.

20. Trapeznikov V.K., Ivanov 1.1., Kudoyarova G.R. Effect of heterogeneous distribution of nutrients on root growth, ABA content and drought resistance of wheat plants // Plant Soil. 2003. Vol. 252. N. 2. P. 207-214.

21. Ruffel S., Krouk G., Ristova D., Shasha D., Birnbaum K.D., Coruzzi G.M. Nitrogen economics of root foraging: Transitive closure of the nitrate-cytokinin relay and distinct systemic signalling for N supply vs. demand // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2011. Vol. 108. N. 45. P. 18524-18529.