Identification of plasma membrane aquaporin isoforms of maize associated with arbuscular mycorrhiza and their participation in symbiotic tolerance to water deficiency

Abstract

Wydział BiologiiPrzedmiotem badań była analiza akumulacji akwaporyn PIP oraz jej kontekstu transkrypcyjnego u kukurydzy poddanej mikoryzacji (AM) i progresywnie rozwijającej się suszy, a następnie rehydratacji. Badania te były prowadzone w odniesieniu do wybranych parametrów homeostazy roślinnej, a także w oparciu o ocenę żywotności grzyba Rhizophagus irregularis. Analizy proteomiczne wykazały przeciwstawny wzór akumulacji PIP2 w korzeniach i liściach w odpowiedzi na niedobór wody, niezależnie od stanu symbiotycznego. U roślin AM utrzymywany był wysoki poziom PIP1 i PIP2 w liściach oraz PIP1 w korzeniach podczas rehydratacji. Regulacja akwaporyn, pozytywnie korelowało z odtworzeniem fizjologii korzeni i liści do stanu wyjściowego. Identyfikacja proteomiczna, pozwoliła rozpoznać i oszacować proporcję ilościową izoform PIP1 i PIP2 w 13 kompleksach białkowych. Sugerujemy, że izoformy PIP1 i PIP2 łączą się w heterokompleksy o kompozycji zależnej od obecności mikoryzy, poziomu nawodnienia, a także lokalizacji organowej. Ekspresja genów akwaporyn PIP1 i PIP2 wykazywała niską wrażliwość na suszę w liściu wierzchołkowym niezależnie od stanu symbiotycznego, natomiast w liściu przykolbowym była niewrażliwa jedynie u roślin AM. Wydaje się zatem, że jedną z przyczyn mniejszej tolerancji na suszę roślin NM są różnice w poziomie ekspresji akwaporyn w liściach niżej położonych bliżej kolby nasiennej. W zestawieniu wyników analizowanych pięter liściowych możemy zaobserwować korelację akumulacji ABA, SA i parametrów wymiany gazowej oraz ekspresji akwaporyn, które wydają się być elementami utrzymania homeostazy w warunkach suszy.The object of the study was to analyze the accumulation of cell PIP aquaporins and its transcriptional context in mycorrhized (AM) maize and under progressively developing drought, and then rehydration. The study was conducted in relation to selected parameters of plant homeostasis as well as based on the assessment of viability of the fungus Rhizophagus irregularis. Proteomic analyzes showed an opposite accumulation pattern of PIP2 in roots and leaves in response to water deficiency, regardless of the symbiotic state. The AM plants maintained a high level of PIP1 and PIP2 in the leaves and PIP1 in the roots during rehydration. Regulation of aquaporins, positively correlated with restoration of root and leaf physiology to the initial state. Proteomic identification allowed to recognize and estimate the quantitative proportion of PIP1 and PIP2 isoforms in 13 protein complexes. We suggest that PIP1 and PIP2 isoforms combine into heterocomplexes with a composition depending on the presence of mycorrhiza, the level of hydration, as well as the organ localization. Gene expression of selected PIP1 and PIP2 aquaporins showed low sensitivity to drought in top leaf regardless of the symbiotic state, whereas in ear leaf it was insensitive only in mycorrhized plants. It therefore seems, that one of the reasons for the lower tolerance to drought of NM plants are the differences in the level of aquaporin expression in the lower leaves closer to the seed flask. In the results of the analyzed leaf floors, we can observe the correlation of accumulation of ABA, SA and gas exchange parameters as well as aquaporin expression, which seem to be the elements of maintaining homeostasis under drought conditions.Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego „Stypendia naukowe dla doktorantów kształcących się na kierunkach uznanych za szczególnie istotne z punktu widzenia rozwoju Województwa Lubuskiego”, Poddziałanie 8.2.2 „Regionalne Strategie Innowacji”, Stypendium Fundacji Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu na rok akademicki 2017/2018. Specjalne stypendium naukowe (KNOW) z dotacji podmiotowej w ramach Krajowego Naukowego Ośrodka Wiodącego „Poznańskie Konsorcjum RNA” dla uczestników stacjonarnych studiów doktoranckich na Wydziale Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu w latach 2016/2017.Praca finansowana ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu nr 2011/01/B/NZ9/00362 realizowanego w latach 2012-2015