Analysis of cadmium translocation, partitioning and tolerance in six barley (Hordeum vulgare L.) cultivars as a function of thiol metabolism

Six barley cultivars widely differing for cadmium (Cd) tolerance, partitioning, and translocation were analyzed in relation to their thiol metabolism. Results indicated that Cd tolerance was not clearly related to the total amount of Cd absorbed by plants, resulting instead closely dependent on the capacity of the cultivars to trap the metal into the roots. Such behaviors suggested the existence of root mechanisms preserving shoots from Cd-induced oxidative damages, as indicated by the analysis of thiobarbituric acid-reactive substances \u2014diagnostic indicators of oxidative stress\u2014whose increases in the shoots were negatively related to Cd root retention and tolerance. Cd exposure differentially affected glutathione (GSH) and phytochelatin (PC) levels in the tissues of each barley cultivar. The capacity to produce PCs appeared as a specific characteristic of each barley cultivar, since it did not depend on Cd concentration in the roots and resulted negatively related to the concentration of the metal in the shoots, indicating the existence of a cultivar-specific interference of Cd on GSH biosynthesis, as confirmed by the existence of close positive linear relationships between the effect of Cd on GSH levels and PC accumulation in both roots and shoots. The six barley cultivars also differed for their capacity to load Cd ions into the xylem, which was negatively related to PC content in the roots. Taken as a whole, these data indicated that the different capacity of each cultivar to maintain GSH homeostasis under Cd stress may strongly affect PC accumulation and, thus, Cd tolerance and translocation

Gene Expression Biomarkers for Evaluating Nitrogen Nutritional Status in Rice

Over the last five decades the increase in rice yield has been associated with a dramatic increment in the use of nitrogen (N) fertilizers. Understanding of plant molecular responses to N is critical for our ability to improve the agricultural sustainability of rice cropping systems by developing a comprehensive approach that allows the selection of varieties with enhanced efficiency in their ability to use N and the development of new strategies to better manage N fertilization practices. In order to develop novel tools for real-time assessing of rice N nutritional status, we analyzed the expression profiles of seven putative gene expression markers in the shoots of rice plants grown under different N availability and environmental conditions. Our results suggest that five out of the seven genes analyzed have the potential to be used as agronomic tools to monitor and optimize the N nutritional status of rice

Effetto del cadmio e della solfocarenza sull’espressione di un trasportatore del solfato ad alta affinità di Brassica juncea

L\u2019assorbimento e la distribuzione sistemica del solfato nelle piante sono processi mediati da specifici trasportatori la cui attivit\ue0 \ue8 altamente regolata per controllare il flusso di zolfo in funzione della loro richiesta metabolica, nonch\ue9 del loro stato nutrizionale. L\u2019esposizione a cadmio (Cd) influenza profondamente il metabolismo dello zolfo ed induce aumenti della capacit\ue0 delle radici di assumere solfato dal mezzo, come risposta ad un incremento dei fabbisogni di zolfo della pianta guidato dall\u2019attivit\ue0 di biosintesi delle fitochelatine. Tali comportamenti sono simili a quelli riscontrati in piante solfocarenti, dove tuttavia l\u2019aumento della capacit\ue0 di assumere solfato non \ue8 relazionabile a un incremento dei fabbisogni di zolfo bens\uec alla sola esigenza di mantenere l\u2019omeostasi dei flussi di questo elemento lungo le vie assimilative. Entrambe le risposte sono controllate prevalentemente a livello trascrizionale e sono state a lungo indicate come risultanti di uno stesso segnale nutrizionale, peraltro controverso. Nel presente lavoro viene evidenziata e discussa la possibilit\ue0 che Cd e solfocarenza modulino l\u2019espressione dei trasportatori del solfato ad alta affinit\ue0 di Brassica juncea attraverso segnali indipendenti e parzialmente sovrapponibili. La scelta di B. juncea come modello sperimentale risiede nella complessit\ue0 del suo genoma; tale specie possiede infatti entrambi i corredi cromosomici (AANN; 2n=36) dei due progenitori ancestrali che l\u2019hanno generata per incrocio interspecifico: B. campestris (AA; 2n=20) e B. nigra (NN; 2n=16). Precedenti lavori condotti da questo gruppo hanno evidenziato un accumulo di trascritto di BjST1;2 \u2013 un gene codificante per un trasportatore del solfato ad alta affinit\ue0 espresso nelle radici di B. juncea \u2013 in risposta sia a Cd sia a solfocarenza. Per questo trasportatore sono state identificate tre diverse varianti geniche (a, b, c) derivanti dai due set cromosomici della specie, presenti ed espresse contemporaneamente in un unico individuo. La presenza di polimorfismi nelle loro sequenze permette di accoppiare l\u2019uso di enzimi di restrizione alle tecniche di RT-PCR semiquantitativa, allo scopo di evidenziare eventuali comportamenti differenziali nell\u2019attivit\ue0 di trascrizione delle tre varianti. In particolare, l\u2019incremento nei livelli di trascritto di BjST1;2 in seguito a limitata disponibilit\ue0 di solfato risulta imputabile a tutte e tre le varianti individuate; diversamente, l\u2019esposizione a Cd determina l\u2019accumulo di trascritto di due sole varianti (b e c). I risultati ottenuti evidenziano chiaramente che geni codificanti per lo stesso trasportatore rispondono in modo differenziale a Cd e solfocarenza, suggerendo l\u2019esist enza di vie multisegnale a controllo dei processi di assunzione e assimilazione del solfato in condizioni di diverso stato nutrizionale. L\u2019impiego di specie anfidiploidi negli studi di controllo trascrizionale del trasporto consente quindi di evidenziare eventuali vie multi-segnale di regolazione. La complessit\ue0 del genoma di tali specie, soprattutto in relazione alla presenza di geni duplicati, consente infatti l\u2019accumulo di mutazioni altrimenti eliminate dalla selezione naturale, che possono invece fornire preziose informazioni sui meccanismi di regolazione trascrizionale. Nel caso in esame la perdita della capacit\ue0 della variante a di rispondere al Cd non compromette la risposta complessiva di BjST1;2 al metallo, che viene infatti garantita dalle varianti b e c

Using an amphidiploid species to study sulfate transporter regulation

Plant sulfate uptake and systemic distribution are processes mediated by specific transporters whose activity is finely tuned to control sulfur fluxes in the plants depending on their metabolic needs, and their sulfur nutritional status. Cd exposure deeply affects sulfur metabolism and increases the root capability to take up sulfate, as a consequence of the increased plant sulfur needs depending on phytochelatin biosynthesis. Such a behavior is similar to that of sulfur starved plants, although in this case the increased capability to take up sulfate does not derive from increased plant sulfur needs but from the need to maintain the homeostasis of sulfur fluxes along the assimilatory pathway. Both the responses are mainly controlled at transcriptional level and have often been indicated as resulting from the same, although controversial, nutritional signal. We think that the use of amphidiploid species in the transcriptional control studies of sulfate transporters could be useful in order to underline possible multi-signalling regulatory pathways. In fact, the complexity of the amphidiploid genome, mainly concerning the existence of duplicated genes, may have led to the accumulation of mutations, which otherwise would have been eliminated by natural selection, that could give precious information on the transcriptional regulation mechanisms. Here we discuss the possibility that Cd and sulfur starvation modulate the expression of a high affinity sulfate transporter of Brassica juncea, an amphidiploid species carrying both the chromosomal sets of the ancestral parents Brassica nigra and Brassica campestris, through independent and partially overlapping signal