Unravelling ties in the nitrogen network: Polyamines and nitric oxide emerging as essential players in signalling roadway

Nitrogen (N) is a central mineral nutrient essential for plant development and growth. It is usually scarcely found in soils, so the knowledge of the overall plant N metabolism deserves substantial attention. Polyamines (PAs) are N-containing low-molecular-weight compounds of polycationic nature involved in essential processes all throughout the life of plants whereas nitric oxide (NO) is a gaseous free radical involved in signalling cascades related to many physiological events. PAs and NO share signalling functions and interact with each other in several biological functions, mainly in stress responses. Biosynthesis pathways of PAs and NO are overlapped; PAs induce NO formation, but it is still not completely defined whether PAs act as substrates, cofactors, or signals for promoting NO synthesis and also, which are the mechanisms involved in NO regulation of PAs metabolism. Polyamine levels are of vital importance in the regulation of the network of N-metabolising pathways in plants, as they are components of the core of the overall N metabolism. In light of the importance of improving the efficiency of N uptake and distribution, it is time to elucidate the intricate relationship among N as a nutrient with PAs and NO as emerging signalling molecules. The close cooperation among these players in the whole N metabolism is an interesting target for the development of biotechnological tools for sustainable agriculture.Fil: Recalde, Laura. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Gómez Mansur, Nabila María. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Cabrera, Andrea Veronica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Matayoshi, Carolina Lucila. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Gallego, Susana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Groppa, María Daniela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Benavides, Maria Patricia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentin

Biochemical and hormonal changes associated with root growth restriction under cadmium stress during maize (Zea mays L.) pre-emergence

Cadmium (Cd) pollution of agricultural soils is a growing global concern. Plant growth restriction is the main visible symptom of Cd toxicity, and this metal may be particularly harmful to the preformed, seminal root during the pre-emergence stage. In the present study, we focused on Cd phytotoxicity in seminal root growth, nutrient composition, redox status, and hormone homeostasis during the pre-emergence stage of maize (Zea mays L) plants, distinguishing between the root apex and the remaining root tissue. After 72 h of metal exposure (50 and 100 µM CdCl2), root length and biomass, as well as Ca, Fe, Mg, and Mn contents, were diminished. A redox imbalance was evidenced by changes in peroxidase activities and the ascorbate–dehydroascorbate ratio decreased in both root parts. There were fewer carbonylated proteins in both root fractions after exposure to 50 µM Cd, compared to 100 µM Cd, which was related to increased 20S proteasome activities. Cd incremented ABA, IAA, and SA contents, but drastically reduced the biologically active gibberellin GA4 and the conjugate jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile). We demonstrated that the whole root tissue is involved in the maize response to Cd stress, which entails redox and hormonal rearrangements, probably directed to widen the plant defense lines at the expense of root growth.Fil: Matayoshi, Carolina Lucila. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; ArgentinaFil: Pena, Liliana Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; ArgentinaFil: Arbona, Vicent. Universitat Jaume I. Escuela Superior de Tecnología y Cs. Experimentales. Departamento de Cs. Agrarias y del Medio Natural; EspañaFil: Gómez Cadenas, Aurelio. Universitat Jaume I. Escuela Superior de Tecnología y Cs. Experimentales. Departamento de Cs. Agrarias y del Medio Natural; EspañaFil: Gallego, Susana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; Argentin

Early responses of maize seedlings to Cu stress include sharp decreases in gibberellins and jasmonates in the root apex

Copper (Cu) interferes with numerous biological functions in plants, including plant growth, which is partly governed by plant hormones. In the present study, Cu stress effect on the roots of pre-emerging maize seedlings in terms of growth, nutrient composition, protein modifications, and root hormone homeostasis was investigated, focusing on possible metabolic differences between the root apex and the rest of the root tissues. Significant decreases in root length and root biomass after 72 h of Cu exposure (50 and 100 μM CuCl2), accompanied by reductions in Ca, Mg, and P root contents, were found. Cu also generated cell redox imbalance in both root tissues and revealed by altered enzymatic and non-enzymatic antioxidant defenses. Oxidative stress was evidenced by an increased protein carbonylation level in both tissues. Copper also induced protein ubiquitylation and SUMOylation and affected 20S proteasome peptidase activities in both tissues. Drastic reductions in ABA, IAA, JA (both free and conjugated), GA3, and GA4 levels in the root apex were detected under Cu stress. Our results show that Cu exposure generated oxidative damage and altered root hormonal homeostasis, mainly at the root apex, leading to a strong root growth inhibition. Severe protein post-translational modifications upon Cu exposure occurred in both tissues, suggesting that even when hormonal adjustments to cope with Cu stress occurred mainly at the root apex, the entire root is compromised in the protein turnover that seems to be necessary to trigger and/or to sustain defense mechanisms against Cu toxicity.Fil: Pena, Liliana Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; ArgentinaFil: Matayoshi, Carolina Lucila. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; ArgentinaFil: Arbona Mengual, Vicente. Universitat Jaume I. Escuela Superior de Tecnología y Cs. Experimentales. Departamento de Cs. Agrarias y del Medio Natural; EspañaFil: Gómez Cadenas, Aurelio. Universitat Jaume I. Escuela Superior de Tecnología y Cs. Experimentales. Departamento de Cs. Agrarias y del Medio Natural; EspañaFil: Gallego, Susana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; Argentin

Early response of wheat seminal roots growing under copper excess

Growth reduction caused by copper excess during plant photoautotrophic metabolism has been widely investigated, but information regarding early responses of root apical meristem (RAM) to toxic concentrations of this metal at the initial heterotrophic stage is certainly scarce. We analysed some determinants of seminal root growth in developing wheat seedlings germinated in the presence of 1, 5 and 10 μM CuCl2, focussing on oxidative damage to cell membrane and to proteins, and investigated the expression patterns of some genes relevant to cell cycle progression and cell expansion. The proliferation zone of the RAM was shorter under 5 and 10 μM CuCl2. Cyclin D and CDKA levels remained unchanged in the root apexes of wheat seedlings grown under these Cu2+ concentrations, but more carbonylated levels of both proteins and less ubiquitinated-cyclin D was detected under 10 μM CuCl2. Increased levels of ROS were revealed by fluorescent probes at this Cu2+ dose, and severe cell membrane damage took place at 5 and 10 μM CuCl2. Several genes related to retinoblastome phosphorylation and therefore involved in the transition from G1 to S cell cycle stage were found to be downregulated at 10 μM CuCl2, while most expansin genes here analysed were upregulated, even at a non-toxic concentration of 1 μM. These results together with previous findings suggest that a “common” signal which involves oxidative posttranslational modifications of specific cell cycle proteins may be necessary to induce root growth arrest under Cd2+ and Cu2+ stress.Fil: Pena, Liliana Beatriz. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Mendez, Andrea Analia Elena. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Matayoshi, Carolina Lucila. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Zawoznik, Myriam Sara. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Gallego, Susana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; Argentin

Cadmium and copper-induced metabolic and proteomic changes in the root tip during early maize growth

In this study, the metabolic adjustments performed by maize (Zea mays L.) seminal roots exposed to 25 µM Cd2+ or 25 µM Cu2+ at pre-emergence are compared, focusing on the proteomic changes after metal exposure. Root width was increased, and root length was decreased after 72 h of metal treatment. Both metals induced H2O2 accumulation and lipid peroxidation in the root tip. These changes were accompanied by increases in lipoxygenase activity and 4-hydroxy-2-nonenal content. NMR spectroscopy revealed that the abundance of 38 water-soluble metabolites was significantly modified by Cd and Cu exposure; this set of metabolites comprised carboxylic acids, amino acids, carbohydrates, and unidentified phenolic compounds. Linoleic acid content significantly decreased in Cu-treated samples. The total amount of proteins detected in maize root apexes was 2,171. Gene ontology enrichment analysis of the differentially accumulated proteins was performed to detect pathways probably affected by metal additions. Both metals altered redox homeostasis, up-regulated oxylipins biosynthetic process, and shifted metabolism towards the oxidative pentose-phosphate in the root apexes. However, the methionine salvage pathway appears as a key metabolic module only under Cd stress. The integrative analysis carried out in this study suggests that most molecular features behind the reprogramming of maize root tips to cope with cadmium and copper toxicity are common, but some are not.Fil: Matayoshi, Carolina Lucila. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Jiménez Guaman, Odalis Maholi. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Esteso, Marcos Leopoldo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Pavoni, Micaela. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Aran, Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires. Fundación Instituto Leloir. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires; ArgentinaFil: Pena, Liliana Beatriz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Gallego, Susana Mabel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica; Argentin

Metabolic rearrangements in imbibed maize (Zea mays L) embryos in the presence of oxidative stressors

Cadmium (Cd) is a metal known to generate oxidative stress in plants and may be particularly harmful during germination. Herein, the growth and metabolic rearrangements of maize embryo axes subjected during the imbibition stage to Cd ions and other two well-known oxidative stressors, methyl viologen (MV) and hydrogen peroxide (H2O2), were assessed for 48 h. Similar decreases in embryo's length were detected for all stressed axes up to 48 h of imbibition. By this time, treated embryos revealed greater accumulation of reactive oxygen species (ROS) and increased levels of carbonylated and ubiquitinated proteins. The proteolytic activities were intensely enhanced in the treated axes, particularly at 48 h of imbibition, and several antioxidant enzymes were induced in most cases. NMR spectroscopy followed by principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA) showed that a large proportion of polar metabolites, mainly amino acids and organic acids, were decreased under stress conditions, while carbohydrates were increased at 48 h of imbibition, with significant increases in glucose and raffinose for treated embryos relatively to controls. We demonstrated that maize embryo axes were capable of shifting their metabolism to improve their antioxidant defense system, at the expense of their growth. Under these adverse conditions, proteolysis seems to play a key role by providing free amino acids needed for the de novo synthesis of defense-related proteins.Fil: Pena, Liliana Beatriz. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Matayoshi, Carolina Lucila. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; ArgentinaFil: Mendez, Andrea Analia Elena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; ArgentinaFil: Aran, Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires. Fundación Instituto Leloir. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de Buenos Aires; ArgentinaFil: Moratto, Camila Julieta. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; ArgentinaFil: Vázquez Ramos, Jorge M.. Universidad Nacional Autónoma de México; MéxicoFil: Gallego, Susana Mabel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Departamento de Química Biológica. Cátedra de Química Biológica Vegetal; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas "Prof. Alejandro C. Paladini". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Físico-Química Biológicas; Argentin