Pobieranie i transport jonów azotanowych w roślinach oraz ich wpływ na architekturę korzeni

• Authors: Monika Naprzał , Albert Janota , Michał Szopiński , Krzysztof Sitko , Eugeniusz Małkowski

Title variants

EN

Uptake and transport of nitrate ions in plants and their effect on root architecture

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

W odpowiedzi na zróżnicowaną dostępność azotu w glebie rośliny wytworzyły mechanizmy zwiększające efektywność pobierania tego pierwiastka, w szczególności szereg systemów transportujących NO3-. Należą do nich systemy transportowe NPF (daw. NRT1), NRT2, CLC i SLAC1. NPF (symportery) są aktywne, gdy stężenie NO3- w środowisku zewnętrznym jest większe niż 0,5 mmol · dm-3, ponadto dzięki niskiej specyficzności mogą transportować inne substraty niż jony azotanowe np. aminokwasy. Białka rodziny NRT2 (symportery) transportują wyłącznie azotany i działają, gdy zewnętrzne stężenia NO3- wynoszą poniżej 0,5 mmol · dm-3. Białka SLAC1 (kanały anionowe) zlokalizowane są w komórkach szparkowych i uczestniczą w usuwaniu jonów chlorkowych i azotanowych podczas zamykania szparek. Rodzina CLC oprócz transportu chloru wykazuje duże powinowactwo do NO3-. Jednym z przedstawicieli tych białek jest CLCa, który zlokalizowany jest w tonoplaście i bierze udział w transporcie jonów azotanowych do wakuoli w antyporcie z protonami.
Po pobraniu przez komórki korzenia, jony azotanowe podlegają dystrybucji do różnych tkanek i organów rośliny, dzięki aktywności kolejnych transporterów należących do wyżej wymienionych rodzin białek.
Jedną z najbardziej widocznych zmian zachodzących w odpowiedzi na zróżnicowane zasoby azotanów w podłożu jest zmiana architektury korzenia. Wysokie stężenia NO3- (50 mmol · dm-3) powodują zahamowanie rozgałęziania systemu korzeniowego. W przypadku ograniczenia dostępności azotanów (0,01 mmol · dm-3) następuje stymulacja rozwoju korzeni bocznych w kierunku obszarów gleby o wyższych zawartościach azotanów (1,0 mmol · dm-3). U A. thaliana zmiany w architekturze korzeni przebiegają bez znaczących zmian w biomasie korzeni, gdyż rozwój korzeni bocznych jest równoważony skracaniem korzeni głównych. Wyczerpywanie zasobów jonów azotanowych jest sygnałem do rozbudowania systemu korzeniowego, podczas gdy wysokie zawartości tego jonu jest odczytywane, jako sygnał do rozwoju pędów.

EN

In response to varied availability of nitrogen in the soil plants developed mechanisms to improve the efficiency of uptake of this element, in particular several NO3- transport systems. These transport systems belong to the following protein families: NPF (formerly NRT1), NRT2, CLC and SLAC1. NPF (symporters) are active when the NO3- concentration in the environment is higher than 0,5 mmol · dm-3 and due to its low specifity for nitrate ions it also may transport other substrates such as e.g. amino acids. NRT2 protein family (symporters) transports nitrates and operates only when the external NO3- concentrations are below 0,5 mmol · dm-3. SLAC1 proteins (anion channels) are located in the guard cells and are involved in the efflux of chloride and nitrate ions during the closing of stomata. CLC family apart from transporting Cl- has a high affinity for NO3-. One of the members of these proteins, CLCa, is located in the tonoplast and is involved in the transport of nitrate ions to the vacuole in antiport with protons.
After uptake by root cells, nitrate ions are distributed to various tissues and organs of the plant due to activity of other transporters belonging to the above-mentioned protein families.
One of the most visible changes in response to the diverse resources of nitrates is a change in the architecture of roots. High concentrations of NO3- (50 mmol · dm-3) in a substrate cause inhibition of branching of the root system. In the case of limited availability of nitrates (0,01 mmol · dm-3) stimulation of lateral root development occurs towards soil areas with higher NO3- content (1,0 mmol · dm-3). In A. thaliana modifications of roots architecture occur without significant alteration in the biomass of roots, because the development of laterals is balanced by shortening of the main root. The low content of nitrate ions is a signal to expand the root system, while a high content of this ions is the signal to develop shoots.

Keywords

PL

azotany; pobieranie; transport; architektura korzeni

• Journal: Kosmos
• Year: 2016
• Volume: 65
• Issue: 3
• Pages: 411-417

Dates

published

2016

Contributors

author

Monika Naprzał

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Katedra Fizjologii Roślin, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Polska
• University of Silesia in Katowice, Faculty of Biology and Environmental Protection, Department Plant Physiology, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Poland

author

Albert Janota

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Katedra Fizjologii Roślin, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Polska
• University of Silesia in Katowice, Faculty of Biology and Environmental Protection, Department Plant Physiology, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Poland

author

Michał Szopiński

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Katedra Fizjologii Roślin, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Polska
• University of Silesia in Katowice, Faculty of Biology and Environmental Protection, Department Plant Physiology, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Poland

author

Krzysztof Sitko

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Katedra Fizjologii Roślin, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Polska
• University of Silesia in Katowice, Faculty of Biology and Environmental Protection, Department Plant Physiology, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Poland

author

Eugeniusz Małkowski

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Katedra Fizjologii Roślin, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Polska
• University of Silesia in Katowice, Faculty of Biology and Environmental Protection, Department Plant Physiology, Jagiellońska 28, 40-032 Katowice, Poland

References

• araki R., hasegawa H., 2006. Expression of rice (Oryza sativa L.) genes involved in high-affinity nitrate transporting during the period of nitrate induction. Breed. Sci. 56, 295-302.
• Assmann S. M., 2006. Solute transport. [W:] Plant Physiology. Taiz L., Zeiger E. (red.). Sinauer Associates, Inc., Sunderland, USA, 95-121.
• Averina N. G., Beyzaei Z., Shcherbakov R. A., Usatov A. V., 2014. Role of metabolism in the development of salt tolerance in barley plants. Rus. J. Plant Physiol. 61, 97-104.
• Bloom A. J., 2006. Mineral nutrition. [W:] Plant Physiology. Taiz L., Zeiger E. (red.). Sinauer Associates, Inc., Sunderland, USA, 73-93.
• chapman N., miller T., 2011. Nitrate transporters and root architecture. [W:] Signaling and communication in plants. Baluŝka F., Vivanco J. (red.). Springer-Verlag, Germany, 165-190.
• daniel-Vedele F., krapp A., kaiser W. M., 2010. Cellular biology of nitrogen metabolism and signaling. [W:] Plant cell monographs (17). Robinson D. G. (red.). Germany, 145-172.
• De Pessemier J., Chardon F., Juraniec M., Delaplace P., Hermans C., 2013. Natural variation of the root morphological response to nitrate supply in Arabidopsis thaliana. Mech. Develop. 130, 45-53.
• Dechorgant J., Nguyen C. T., Armengaud P., Jossier M., Diatloff E., Filleur S., Daniel-Vedele F., 2011. From the soil to the seeds: the long journey of nitrate in plants. J. Exp. Botan. 62, 1349-1359.
• Drew M. C., 1975. Comparison of the effects of a localized supply of phosphate, nitrate, ammonium and potassium on the growth seminal root system, and the shoot, in barley. New Phytol. 75, 479-490.
• Griffiths C. A., Gaff D. F., Neale A. D, 2014. Drying without senescence in resurrection plants. Front. Plant Sci. 5, 1-18.
• Hawkesford H., Horst W., Kichey T., Lambers H., Schjoerring J., Skrumsager-Möller I., White P., 2012. Functions of macronutrients. [W:] Marschner's mineral nutrition of higher plants. Marschner P. (red.). Elsevier, 135-189.
• Kant S., Bi Y. M., Rothstein S. J., 2011. Understanding plant response to nitrogen limitation for the improvement of crop nitrogen use efficiency. J. Exp. Botan. 62, 1499-1509.
• Krapp A., David L. C., Chardin C., Girin T., Marmagne A., Leprince A. S., Chaillo S., Ferrario-Mery S., Meyer C., Daniel-Vedele F., 2014. Nitrate transport and signalling in Arabidopsis. J. Exp. Botan. 65, 789-798.
• Léran S., Varala K., Boyer J. C., Chiurazzi M., Crawford N., Daniel-Vedele F., David L., Dickenstein R., Fernandez E., Forde B., Gassmann W., Geiger D., Gojon A., Gong J. M., Halkier B. A., Harris J. M., Henderich R., Limami A. M., Rentsch D., Seo M., Tsay Y. F., Zhang M., Coruzzi G., Lacombe B., 2014. A unified nomenclature of NITRATE TRANSPORTER1/PEPTIDE TRANSPORTER family members in plants. Trends Plant Sci. 19, 5-9.
• Liu K. H., Huang C. Y., Tsay Y. F., 1999. CHL1 is a dual-affinity nitrate transporter of Arabidopsis involved in multiple phases of nitrate uptake. Plant Cell 11, 865-874.
• Malamy J. E., 2005. Intrinsic and environmental response pathways that regulate root system architecture. Plant Cell Environ. 28, 67-77.
• Mengel K., Kirkby E. A., Kosegarten H., Appel T., 2001. Principles of plant nutrition. Kluwer Academic Publisher, The Netherlands.
• miller A. J., Cramer M. D., 2004. Root nitrogen acquisition and assimilation. Plant Soil 274, 1-36.
• Orsel M., Chopin F., Leleu O., Smith S. J., Krapp A., Daniel-Vedele F., Miller A. J., 2006. Characterization of a two-component high-affinity nitrate uptake system in Arabidopsis. Physiology and protein-protein interaction. Plant Physiol. 142, 1304-1317.
• Richard-Molard C., Krappa A., Brun F., Ney B., Daniel-Vedele F., Chaillou S., 2008. Plant response to nitrate starvation is determined by N storage capacity matched by nitrate uptake capacity in two Arabidopsis genotypes. J. Exp. Botan. 59, 779-719.
• Rob M., Roelfsema G., Hedrich R., Geiger D., 2012. Anion channels: master switches of stress responses. Trends Plant Sci. 17, 221-229.
• Schlüter U., Mascher M., Colmsee C., Scholz U., Bräutigam A., Fahnenstich H., Sonnewald U., 2012. Maize source leaf adaptation to nitrogen deficiency affects not only nitrogen and carbon metabolism but also control of phosphate homeostasis. Plant Physiol. 160, 1384-1406.
• Tsay Y. F., Chiu C. C., Tsai C. B., Ho C. H., Hsu P. K., 2007. Nitrate transporters and peptide transporters. FEBS Lett. 581, 2290-2300.
• Vidmar J. J., Zhuo D., Siddiqi M. Y., Schjoerring J. K., Touraine B., Glass A. D. M., 2000. Regulation of high-affinity nitrate transporter genes and high-affinity nitrate influx by nitrogen pools in roots of barley. Plant Physiol. 123, 307-318.
• Walch-Liu P., Ivanov I. I., Filleur S., Gan Y., Remans T., Forde B. G., 2006. Nitrogen regulation of root branching. Ann. Botan. 97, 875-881.
• Williams L. E., Miller A. J., 2001. Transporters responsible for the uptake and partitioning of nitrogenous solutes. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 52, 659-88.
• Zhang H., Jennings A., Barlow P. W., Forde B. G., 1999. Dual pathways for regulation of root branching by nitrate. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 6529-6534.