Oeiras, Portugal
May 15, 2012
Plants cannot survive without phosphorus. It forms the backbone of many crucial molecules (such as DNA) and is a key player in energy transfer reactions. Low availability of phosphorus is a major environmental stress for plants and can lead to great losses in crop production. But plants can’t make their own phosphorus; they get all they need at the root-soil interface, in the form of inorganic phosphate (Pi), so one way to maximise the amount of phosphorus in the plant is to turn up Pi uptake by root cells.
Paula Duque and her research team at the Instituto Gulbenkian de Ciência (Lisbon) have identified a new Pi transporter in the root cells of the tiny mustard plant Arabidopsis thaliana that acts, crucially, when Pi is scarce. Their findings, published online in the journal New Phytologist(*), provide insight into how phosphate transport systems may be manipulated in plants to counteract stressful conditions and thus, potentially, lead to improved crop yields.
The transporter the IGC researchers work with is a protein located on the membranes of root cells, which is consistent with it playing a role in the uptake of phosphorus from the soil. Showing its location in the plant was the first step in a detailed study of when and how the transporter acts. The researchers went on to isolate two Arabidopsis thaliana mutants, both of which are unable to produce the transporter. They found that, although mutants and wild-type plants grow equally well in the presence of standard amounts of Pi, things look quite different when Pi becomes scarce: the mutant plants (that do not have a functional transporter) display smaller seedlings, smaller primary roots and overdeveloped secondary roots – characteristic features of plants suffering from phosphorus deprivation.
Estelle Remy, a post-doc in the laboratory, describes the experiments, “The effects were completely reversed when we re-introduced the ‘corrected’ gene for the transporter into mutant plants. This is a strong indication that it is indeed lack of the transporter that underlies increased sensitivity to low Pi. Furthermore, by forcing plants to produce more of the transporter than usual, we made them more tolerant to low Pi – which further supports a role in phosphorus uptake under these conditions.”
Says Paula Duque, “In collaboration with Isabel Sá-Correia’s group at the Instituto Superior Técnico, we used yeast cells that carry the plant transporter to prove that this transporter chemically binds Pi avidly. We are thus confident that we have proven, unequivocally, that the Pht1;9 transporter mediates Pi uptake when Arabidopsis experiences phosphorus starvation. Its role in plants makes perfect sense: we know that plants respond to limited Pi by switching on and/or off a series of genes that lead, ultimately, to a balanced distribution of phosphorus in the plant. One of the processes entails triggering the production of membrane transporters. We now know that Pht1:9 (our transporter) is one of them, making it a potential target for manipulating crops that may be under environmental stress due to low phosphorus availability”.
This study was carried out in collaboration with the Institute for Biotechnology and BioEngineering at the Instituto Superior Técnico (Lisbon). It was funded by the Fundação para a Ciência e a Tecnologia (Portugal).
(*) E. Remy, T.R. Cabrito, R.A. Batista, M.C. Teixeira, I. Sá-Correia, P. Duque (2012) The Pht1;9 and Pht1;8 transporters mediate inorganic phosphate acquisition by the Arabidopsis thaliana
Utilizar tudo o que o solo tem para dar - Cientistas do Instituto Gulbenkian de Ciência identificam novo transportador de fosfato em planta
O fósforo é absolutamente essencial para as plantas. É um constituinte elementar de muitas moléculas vitais (como o ADN) e desempenha um papel central em múltiplas reações de transferência de energia. O acesso reduzido a fósforo é um fator de stress ambiental para as plantas, podendo levar a perdas significativas de culturas agrícolas. Porém, as plantas são incapazes de fabricar o seu próprio fósforo; obtêm-no sob a forma de fosfato inorgânico (Pi), na interface entre a raiz e o solo. Uma forma de maximizar a quantidade de fósforo na planta é, por conseguinte, aumentar a captura de Pi pela raiz.
A equipa liderada por Paula Duque, no Instituto Gulbenkian de Ciência, identificou um novo transportador de Pi nas células da raiz da pequena planta Arabidopsis thaliana, da família da mostarda. Os investigadores mostraram que o transportador atua quando o Pi é pouco abundante no solo. Os seus resultados, publicados agora na revista New Phytologist(*), abrem caminho a novas formas de manipular sistemas de transporte de fósforo em plantas, de modo a combater situações de stress ambiental e, potencialmente, aumentar a produção de certas culturas.
O primeiro passo no estudo foi mostrar que o transportador agora identificado se localiza nas membranas das células da raiz – uma localização consistente com uma função na absorção de fosfato do solo. Seguiram-se várias outras experiências, através das quais a equipa dissecou onde e em que condições o transportador atua. Isolaram primeiro dois mutantes de Arabidopsis thaliana incapazes de produzir o transportador e verificaram que ambos crescem igualmente bem em presença de níveis normais de Pi. Contudo, a situação altera-se quando o Pi escasseia: as plantas jovens mutantes são mais pequenas, as suas raízes primárias são também mais pequenas, enquanto que as raízes secundárias se desenvolvem excessivamente – efeitos bem conhecidos em situações de privação de fósforo.
Estelle Remy, investigadora doutorada na equipa, descreve as experiências, “Conseguimos reverter totalmente os efeitos ao introduzir o gene funcional do transportador de volta na planta mutante, o que indica que é, de facto, a falta do transportador que a torna mais sensível a baixos níveis de Pi. Fizemos também a experiência contrária: forçámos plantas a produzir mais transportador do que em condições normais, e verificámos que se tornam mais tolerantes a baixos níveis de Pi, reforçando que o transportador atua nestas condições”.
Paula Duque acrescenta, “Em colaboração com o grupo de Isabel Sá-Correia no Instituto Superior Técnico, recorremos a células de levedura, manipuladas para produzir o transportador vegetal, para provar que o transportador se associa avidamente a Pi. Estamos assim confiantes de que conseguimos provar, de forma inequívoca, que o transportador Pht1;9 medeia a captura de fosfato pela planta Arabidopsis, quando este escasseia. A sua ação na planta faz todo o sentido: sabemos que as plantas reagem à privação de fósforo ligando e/ou desligando genes que levam, por fim, ao estabelecimento de uma distribuição equilibrada de fósforo na planta. Um desses processos envolve a produção de transportadores de membrana. Ao mostrar que Pht1;9 é um destes transportadores, identificamos mais um possível alvo para a manipulação de culturas que possam estar ameaçadas por insuficiência de fósforo”.
Este trabalho foi realizado em colaboração com o Instituto de Biotecnologia e Bioengenharia no Instituto Superior Técnico (Lisboa). Foi financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (Portugal).
Species
