Physiological and transcriptional characterization of response to N-starvation in roots of two maize inbred lines with different nitrogen use efficiency

L'azoto (N) è l'elemento richiesto in quantità maggiori dalle piante dopo il carbonio (C) ed è un costituente principale di acidi nucleici, proteine, coenzimi, fitormoni, clorofilla e metaboliti secondari. La biodisponibilità di questo elemento è quindi un fattore cruciale per la crescita delle piante e di conseguenza l'uso di fertilizzanti è necessario per la produttività dei sistemi agricoli. Nella maggior parte dei terreni, ammonio e nitrato sono le fonti principali di N disponibili per la nutrizione delle piante. Anche se le concentrazioni medie del primo nel suolo sono spesso 10-1000 volte inferiori a quelle del NO3-, questa differenza non riflette necessariamente il rapporto di assorbimento da parte delle radici. L'assorbimento del NO3- è stato ampiamente studiato, mentre meno informazioni sono invece disponibili per NH4+. Precedenti studi condotti su riso, abete rosso e Arabidopsis hanno rivelato l'esistenza di due sistemi di trasporto per NH4 + con alta (HATS) e bassa (LATS) affinità. Dal momento che le informazioni riguardanti gli aspetti molecolari dell'assorbimento dell' NH4+ in mais sono molto limitate, in questo lavoro ne abbiamo caratterizzato alcuni aspetti biochimici in due linee pure di mais (LO5 e T250). Queste due linee sono state studiate in esperimenti di campo, determinando la differente efficienza di uso dell'azoto (NUE), in particolare, una mostra una NUE alta (LO5), mentre l'altra bassa (T250). Queste due linee pure erano già state caratterizzate solamente per l'assorbimento del nitrato in un precedente lavoro, evidenziando l'esistenza di due distinti sistemi di trasporto anche per questa forma azotata. L'analisi dei parametri cinetici dell'assorbimento di ammonio determinate per la prima volta in questo lavoro mostrato una minore Km per la linea ad alta NUE. L'influenza del pH sulla velocità di assorbimento dei sistemi HATS e LATS è stata determinata evidenziando che la velocità di assorbimento non dipende dalla disponibilità di H+. Differenze tra le due linee nel tasso di assorbimento delle due diverse fonti inorganiche di azoto in piante cresciute in carenza dell'elemento sono state studiate. La velocità dell'assorbimento dell'ammonio aumenta in queste condizioni più velocemente nella linea Lo5 mentre la velocità di assorbimento del NO3- tendeva a diminuire in entrambe le linee. Quando i tassi di assorbimento sono stati analizzati quando le due forme (nitrato e ammonio) erano presenti contemporaneamente nella soluzione di assorbimento (rapporto 100: 1), i tassi di assorbimento di NH4 + mostravano livelli simili a quelli del NO3-. Le due linee sono state anche caratterizzate per le loro differenze nei profili trascrizioni della radice durante la crescita in risposta alla N carenza attraverso analisi microarray. I dati ottenuti hanno evidenziato che 112 trascritti erano differenzialmente espressi tra Lo5 e T250 dopo 0, 1 e 4 giorni dall'inizio del trattamento, mentre 85 e 646 trascritti erano differenzialmente espressi sia a 0 e 1 giorni e sia a 1 e 4 giorni, rispettivamente. L'annotazione manuale di questi trascritti differenzialmente espressi e lo studio del loro comportamento nei due linee ci permettono di sostenere l'ipotesi che la linea ad alta NUE (Lo5) risponde alla N carenza rispetto alla linea NUE basso (T250) attraverso una forte espressione di geni che sembrano essere coinvolti nei meccanismi molecolari che mediano la risposta all'assenza di macronutrienti nelle radici.

Nitrogen (N) is the element required in greatest amounts by plants after carbon (C) and it is a primary component of nucleic acids, proteins, co-enzymes, phytohormones, chlorophyll and also secondary metabolites which plays extremely important roles for plant life. The bioavailability this element to roots is therefore a crucial factor for plant growth and consequently the use of fertilizers is required to agricultural systems. In most soils, NH4+ and NO3- are the predominant sources of N that are available for plant nutrition. Although the average NH4+ concentrations in soils are often 10-1000 times lower than those of NO3-, this difference does not necessarily reflect the uptake ratio of each N source. The characteristics of root NO3- uptake have been extensively studied. Less information is on the contrary available for NH4+. Previous works performed in rice, spruce and Arabidopsis have revealed the existence of two transport systems for NH4+ with high (HATS) and low (LATS) affinity. Since information regarding molecular aspects of NH4+ uptake in maize is very limited, as a first purpose of this work we characterized some biochemical aspects of NH4+ uptake in seedlings of two maize inbred lines (Lo5 and T250). These two lines were identified in field experiments as a high (Lo5) and low (T250) nitrogen use efficiency (NUE), lines respectively. As far as, the uptake of N mineral forms, the two lines were previously characterized for the difference in HATS and LATS for NO3-. The analysis of kinetics parameters of NH4+ uptake here determined showed a lower Km for the high-NUE line. The influence of pH on the uptake rate on both HATS and LATS was also evaluated showing that the uptake rate is not dependent from H+ availability. Differences between Lo5 and T250 in the uptake rate of the two inorganic N-forms during the growth without N source were analyzed. NH4+ uptake rate increased during N deprivation with a steeper profile in Lo5 whilst NO3- uptake rate tended to decrease in both lines. When the uptake rates were analyzed in the contemporary presence of NO3- and NH4+ in the uptake solution with a 100:1 ratio, the NH4+ uptake rates showed similar levels to those of and NO3-. The two lines were also characterized for their differences in root transcriptional profile during N deprivation through microarray analysis. Data analysis highlighted that 112 transcripts were differentially expressed between Lo5 and T250 at 0, 1 and 4 days of N deprivation, while 85 and 646 transcripts were differentially expressed both at 0 and 1 days and both at 1 and 4 days, respectively. The annotation of these differentially expressed transcripts and the study of their behaviour in the two lines strongly support the idea that the high NUE line responds to N deprivation though a stronger expression of genes known as involved in the molecular mechanisms mediating the response to the absence of the macronutrient in roots relative to the low NUE line (T250).