Chimera of Globin/Nitric Oxide Synthase: Toward Improving Nitric Oxide Homeostasis and Nitrogen Recycling and Availability

As a result of anthropogenic activities, there are regions suffering extreme climate changes (hot temperatures, droughts, floods), that generate serious and harmful environmental and socio-economic consequences (Hoegh-Guldberg et al., 2018). Climate change has a strong impact on agriculture, mainly by increasing soil degradation and reducing land productivity (Olsson et al., 2019). Desertification decreases soil macronutrients as organic carbon (OC), phosphorus (P) and nitrogen (N) (Shang et al., 2013; Tang et al., 2015). Considerable reductions of OC, P and N are caused by a decline in soil water, vegetation and wind erosion. It is estimated that when soil water is less than 30%, OC and N decrease approximately 50% (Shang et al., 2013). The intensity and frequency of extreme climate events predicted will increase the competition for nutrients, notably N among plants and soil microorganisms (Bennett and Klironomos, 2019; Pugnaire et al., 2019).N availability is essential for net primary production and determines changes in total vegetation biomass and soil OC (Tharammal et al., 2019). Approximately 150 Tg/yr of N is spilled to the land surface as a result of industrial activities and fossil fuel combustion (Schlesinger, 2009). Huge amounts of N fertilizers are used to increase crop productivity, but only 25%?30% are retained in plant biomass (Nadelhoffer et al., 1999; Schlesinger, 2009). The excess of N is then transported to aquatic environments resulting in eutrophication and reduction of dissolved O2, percolated to the groundwater or loss to the atmosphere, increasing greenhouse gas (GHG) emissions such as nitrogen oxides (NOx) (Schlesinger, 2009; Breitburg et al., 2018). In this context, bio/technological solutions like genetic modification of crops are required to avoid, reduce and reverse GHG emissions and water eutrophication, contributing to climate change mitigation. New biotechnological strategies developed for the agriculture to increase N use efficiency (NUE) in crops would help to fulfill this purpose. In this opinion, we will discuss some studies of nitric oxide (NO) synthases (NOS) and nitrate reductase (NR) enzymes playing a collaborative role with globin (Hb) proteins, leading to NO and/or nitrate (NO3-) homeostasis in different organisms. We propose that chimeric globin-NOS such as the NOS from Synechococcus PCC 7335 (SyNOS) may have evolved in photosynthetic microorganisms contributing to a more efficient N recycling and sustaining growth in N fluctuating conditions. Engineered crops that maximize NUE would result in a better adaptation to changing climatic conditions with less N fertilization, preserving aquatic ecosystems and atmosphere.Fil: del Castello, Fiorella Paola. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Nejamkin, Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Foresi, Noelia Pamela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Lamattina, Lorenzo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Correa Aragunde, Maria Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; Argentin

Nitrogen Depletion Blocks Growth Stimulation Driven by the Expression of Nitric Oxide Synthase in Tobacco

Nitric oxide (NO) is a messenger molecule widespread studied in plant physiology. Latter evidence supports the lack of a NO-producing system involving a NO synthase (NOS) activity in higher plants. However, a NOS gene from the unicellular marine alga Ostreococcus tauri (OtNOS) was characterized in recent years. OtNOS is a genuine NOS, with similar spectroscopic fingerprints to mammalian NOSs and high NO producing capacity. We are interested in investigating whether OtNOS activity alters nitrogen metabolism and nitrogen availability, thus improving growth promotion conditions in tobacco. Tobacco plants were transformed with OtNOS under the constitutive CaMV 35S promoter. Transgenic tobacco plants expressing OtNOS accumulated higher NO levels compared to siblings transformed with the empty vector, and displayed accelerated growth in different media containing sufficient nitrogen availability. Under conditions of nitrogen scarcity, the growth promoting effect of the OtNOS expression is diluted in terms of total leaf area, protein content and seed production. It is proposed that OtNOS might possess a plant growth promoting effect through facilitating N remobilization and nitrate assimilation with potential to improve crop plants performance.Fil: Nejamkin, Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Foresi, Noelia Pamela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Mayta, Martín Leonardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Lodeyro, Anabella Fernanda. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: del Castello, Fiorella Paola. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Correa Aragunde, Maria Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Carrillo, Nestor Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Lamattina, Lorenzo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; Argentin

Nitric oxide synthases from photosynthetic organisms improve growth and confer nitrosative stress tolerance in E. coli. Insights on the pterin cofactor

Nitric oxide synthase (NOS) synthesizes NO from the substrate L-arginine (Arg). NOS with distinct biochemical properties were characterized from two photosynthetic microorganisms, the unicellular algae Ostreococcus tauri (OtNOS) and the cyanobacteria Synechococcus PCC 7335 (SyNOS). In this work we studied OtNOS and SyNOS recombinantly expressed in E. coli and analyzed bacterial growth and tolerance to nitrosative stress. Results show that the expression of OtNOS and SyNOS promotes bacterial growth and allows metabolizing Arg as N source. In accordance to a high NO producing activity, OtNOS expression induces the hmp flavohemoglobin in E. coli, suggesting that this strain is sensing nitrosative stress. The addition of 1 mM of the NO donor sodium nitroprusside (SNP) is toxic and generates a strong nitrosative stress. The expression of OtNOS or SyNOS reduced SNP toxicity restoring bacterial growth. Finally, using bioinformatic tools and ligand docking analyses, we propose tetrahydromonapterin (MH4), an endogenous pterin found in E. coli, as potential cofactor required for NOS catalytic activity. Our findings could be useful for the development of biotechnological applications using NOS expression to improve growth in bacteria.Fil: Correa Aragunde, Maria Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Nejamkin, Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: del Castello, Fiorella Paola. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Foresi, Noelia Pamela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Lamattina, Lorenzo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; Argentin

Nitric oxide synthases from photosynthetic microorganisms: discovering the tip of the iceberg

Nitric oxide (NO) is a signal molecule produced in species of all kingdoms of life. In animals, NO is synthesized by NO synthases (NOSs) enzymes using l-arginine as substrate. In the plant kingdom, findings showed the presence of NOS in several algal species but none in land plants. In recent years, a singular NOS from cyanobacteria was characterized with a globin domain in the N-terminus. Transgenic plants expressing the microalgal and cyanobacterial NOSs showed gain of functions. Here we will discuss the key features of NOS expressed in photosynthetic organisms and we will reinforce the idea of a novel role for NOS, associated to nitrogen metabolism in higher plants.Fil: Nejamkin, Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: del Castello, Fiorella Paola. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Correa Aragunde, Maria Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Foresi, Noelia Pamela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Ramírez, Leonor. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Lamattina, Lorenzo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; Argentin

The era of nitric oxide in plant biology: Twenty years tying up loose ends

Nitric oxide (NO) is an essential signal molecule to maintain cellular homeostasis in uni and pluricellular organisms. Conceptually, NO intervenes as much in sustaining basal metabolic processes, as in firing cellular responses to changes in internal and external conditions, and also in guiding the return to basal conditions. Behind these unusual capabilities of NO is the chemistry of this molecule, an unstable, reactive, free radical and short half-life gas. It is a lipophilic molecule that crosses all the barriers that biological membranes can impose. The extraordinary impact that the elucidation of physiological processes regulated by NO has had on plants, is comparable to the consequences of the discovery in 1986 that NO is present in animal tissues, and the following deep studies that demonstrated its biological activity regulating blood pressure. In this review, we have summarized and discuss the main discoveries that have emerged at Mar del Plata University over the past 20 years, and that have contributed to understand part of the biology of NO in plants. Besides, these findings are put in context with the progress made by other research groups, and in perspective, emphasizing that the history of NO in plants has just begun.Fil: del Castello, Fiorella Paola. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Nejamkin, Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Cassia, Raul Oscar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Correa Aragunde, Maria Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Fernández, María Belén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Foresi, Noelia Pamela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Lombardo, Maria Cristina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Ramírez, Leonor. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Lamattina, Lorenzo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; Argentin