トウモロコシの根における3つのAMTの機能的および制御的特性評価

Functional and Regulatory Characterization of Three AMTs in Maize Roots.

• Dong-Li Hao
• Jin-Yan Zhou
• Shun-Ying Yang
• Ya-Nan Huang
• Yan-Hua Su

抄録

トウモロコシは硝酸塩主体の乾燥地土壌で成長するが、窒素肥料の局所的なドレッシングの直後に、アンモニウムは根に利用可能な窒素源の顕著な形態として保持される。このように、アンモニウムの吸収は、硝酸塩に加えて、植物の成長を促進する重要な戦略であり、窒素要求の強い段階での植物の急速な成長を促進することができる。本研究では、トウモロコシの効率的な窒素吸収に関連する機能的・制御的特性を明らかにすることを目的として、3 種類の根発現アンモニウム輸送体（AMT）の機能的特性を報告した。私たちが以前に卵母細胞で確立した安定電気生理学的記録法を用いて、電圧ランプに応答する電流の捕捉と現場での安定性制御を統合し、3 つの ZmAMT1 すべてがアンモニウム取り込み機構として NH のユニポートに関与していることを実証しました。ZmAMT1.1a, 1.1b, ZmAMT1.3の値は、それぞれ9.9, 15.6, 18.6μMであり、典型的なNHイオンの高親和性輸送を示している。重要なことは、これらのZmAMT1の取り込み電流は、細胞外酸性化の際に顕著に増幅されることである。pHを7.4から5.4に低下させると、ZmAMT1.1a, 1.1b, ZmAMT1.3を介したアンモニウム取り込み活性が140.8%, 64.1%, 120.7%増加することがわかった。植物の根によるアンモニウム取り込みは、根の培地の自発的な酸性化を伴うことから、低 pH による ZmAMT1.1a, 1.1b, ZmAMT1.3 の機能促進は、トウモロコシの根におけるアンモニウム取り込み活性の促進と一致していると考えられる。さらに、これらの遺伝子の発現は、アンモニウムが支配的な条件下で誘導されることが明らかになった。このようにして、我々は、利用可能な場合には、この形態の窒素源の効率的な獲得と協調する可能性があるZmAMT1トランスポーターの機能的および発現制御によって、トウモロコシの根におけるアンモニウム取り込み促進戦略を記述する。

Maize grows in nitrate-dominated dryland soils, but shortly upon localized dressing of nitrogen fertilizers, ammonium is retained as a noticeable form of nitrogen source available to roots. Thus in addition to nitrate, the absorption of ammonium can be an important strategy that promotes rapid plant growth at strong nitrogen demanding stages. The present study reports the functional characterization of three root-expressed ammonium transporters (AMTs), aiming at finding out functional and regulatory properties that correlate with efficient nitrogen acquisition of maize. Using a stable electrophysiological recording method we previously established in oocytes that integrates the capture of currents in response to voltage ramps with onsite stability controls, we demonstrate that all three ZmAMT1s engage NH uniporting as ammonium uptake mechanisms. The value for ZmAMT1.1a, 1.1b, or ZmAMT1.3 is, respectively, 9.9, 15.6, or 18.6 μM, indicating a typical high-affinity transport of NH ions. Importantly, the uptake currents of these ZmAMT1s are markedly amplified upon extracellular acidification. A pH drop from 7.4 to 5.4 results in a 140.8%, 64.1% or a 120.7% increase of ammonium uptake activity through ZmAMT1.1a, 1.1b, or ZmAMT1.3. Since ammonium uptake by plant roots accompanies a spontaneous acidification to the root medium, the functional promotion of ZmAMT1.1a, 1.1b, and ZmAMT1.3 by low pH is in line with the facilitated ammonium uptake activity in maize roots. Furthermore, the expression of the three genes is induced under ammonium-dominated conditions. Thus we describe a facilitated ammonium uptake strategy in maize roots by functional and expression regulations of ZmAMT1 transporters that may coordinate with efficient acquisition of this form of nitrogen source when available.

Copyright © 2020 Hao, Zhou, Yang, Huang and Su.