Der Nitrattransporter AtNRT1.5/AtNPF7.3 - Ein Schlüsselprotein in der Regulierung des pflanzlichen Kaliumhaushaltes

Abstract

Kalium (K) und Stickstoff (N) in Form von Nitrat (NO3-) oder Ammonium (NH4+) sind die zwei quantitativ am häufigsten von der Pflanze aufgenommenen Makroelemente. Ihre Transport- und Signalwege stehen dabei in enger Wechselwirkung. Die Mechanismen, die diesem dy-mischen Netzwerk zugrunde liegen, sind bisher allerdings wenig erforscht. Die Ergebnisse dieser Arbeit dokumentieren, dass ein Mitglied der Arabidopsis Nitrate Trans-porter1 (NRT1)/Peptide Transporter (PTR) Family (NPF) in diese komplexen Transportpro- zesse involviert ist: der bidirektionale und niedrig-affine Nitrattransporter NRT1.5/NPF7.3. Phänotypische und physiologische Untersuchungen von nrt1.5 Knockout Mutanten zeigten, dass das NRT1.5 Protein an der NO3--abhängigen Kaliumtranslokation zwischen Wurzel und Spross beteiligt ist. Unter niedriger Nitratverfügbarkeit entwickeln nrt1.5 Pflanzen einen starken Kaliummangel im Spross, der mit den klassischen sichtbaren K+-Mangelsymptomen wie der Bildung von Chlorosen an älteren Blättern einhergeht. Die Induktion von K+-Mangel- assoziierten Genen und die Erhöhung der Jasmonsäure- und Glucosinolatkonzen¬trationen in den nrt1.5 Rosettenblättern bestätigen zudem die Initiierung einer Kaliummangel-bedingten Signalkaskade im nrt1.5 Spross. Homo- und heteroplastische Pfropfungen zwischen Col-0 und nrt1.5-5 Pflanzen offenbarten, dass die Beeinträchtigung des Wurzel-Spross Kalium-transfers ausschließlich auf den Verlust der NRT1.5 Wurzelaktivität zurückzuführen ist. Die mit Hilfe von Promotor-GUS Studien aufgezeigten NRT1.5 Expressionen indizieren jedoch weitere Proteinfunktionen in unterschiedlichen Wurzel- und Sprossgeweben. Während die Elementanalysen in den Wurzel- und Sprossproben der gepfropften Pflanzen keine Hinweise für eine die Nährstoffhomöostase beeinflussende NRT1.5 Sprossaktivität liefern, führt die gezielte sprossspezifische NRT1.5 Überexpression in den nrt1.5 Mutanten zu einer toxischen Natriumanreicherung. Interessanterweise korrelieren die erhöhten Na+-Konzentrationen im Spross der NRT1.5 Überexpressionslinien mit einer hohen externen Nitratversorgung. Demzufolge moduliert das NRT1.5 Protein über seine Wurzelaktivität einerseits den pflanzlichen Kaliumhaushalt unter Nitratmangel und steuert andererseits über seine Sprossaktivität die Natriumhomöostase unter hoher Nitratverfügbarkeit. Die moleku-laren Grundlagen dieser diffizilen Zusammenhänge sind bislang noch nicht aufgeklärt. Die Identifizierung mehrerer NRT1.5 Interaktionspartner im heterologen Hefe-Split-Ubiquitin System deutet jedoch darauf hin, dass das Nitrattransportprotein über eine Protein-Protein Interaktion in die posttranslationale Regulation des Kaliumtransports involviert ist. Neben Interaktionen mit Kaliumtransport-assoziierten Proteinen wie SLAH1, SLAH3, CIPK9-CBL3 und VAMP722, wurden dabei auch Wechselwirkungen mit der für die Steuerung des Mem-branpotentials relevanten H+-ATPase AHA2 nachgewiesen.

Potassium (K) and Nitrogen (N) in the form of nitrate (NO3−) or ammonium (NH4+) are the two most abundantly acquired macroelements by plants and their transport and signaling path¬ways interact in complex ways. However, the underlying mechanisms of these dynamic inter¬actions remain to be determined. Here, we show that one member of the Arabidopsis thaliana Transporter1 (NRT1)/Peptide Transporter (PTR) family is involved in these sophisticated transport processes: the bidirec-tional and low-affinity nitrate transporter NRT1.5/NPF7.3. Phenotypic und physiological characterization of nrt1.5 knockout mutants revealed that NRT1.5 activity is important for the NO3-- dependent K+ translocation between root and shoot. Under low NO3- nutrition, lack of NRT1.5 provokes a severe potassium deficit in shoot organs accompanied by typical K+ deficiency symptoms like chlorotic leaves. The shoot gene expression data and the higher concentrations of jasmonic acid and glucosinolates in nrt1.5 rosettes corroborate the initiation of the K deficiency signaling cascades in the nrt1.5 shoot. Although grafting experiments between Col-0 and nrt1.5 plants indicated that impairment of potassium translocation to the shoot is attributed exclusively to the absence of the NRT1.5 root activity, promoter GUS analysis demonstrated NRT1.5 expression signals in different shoot and root tissues suggesting further functions within the plant. Elemental analysis in root and shoot organs of grafted plants does not provide evidence for an involvement of NRT1.5 shoot activity in nutrient homeostasis. Notwithstanding, shoot specific overexpression of NRT1.5 in nrt1.5 knockout mutant plants results in higher shoot sodium concen¬trations. Interestingly, shoot sodium accumulation of NRT1.5 overexpression lines correlates with high external NO3- supply. These data suggest that NRT1.5 modulates plant K+ homeostasis under nitrate starvation via its root activity on the one hand and Na+ homeostasis under ample nitrate supply via its shoot activity on the other hand. The molecular basis of these intricate interrelations is still un¬known. But the identification of several NRT1.5 interacting proteins using the heterologous yeast split-ubiquitin system denotes a participation of the nitrate transporter NRT1.5 in the post-translational regulation of potassium transport via protein-protein interactions. In addition to K+ transport associated proteins like SLAH1, SLAH3, CIPK9-CBL3 and VAMP722 the split-ubiquitin screen also uncovered an interaction with the H+-ATPase AHA2 pointing to an involvement of NRT1.5 in the modulation of the membrane potential or the membrane protonmotive force.