Insights into the transcriptome and ROS signaling of Arabidopsis thaliana root tips during Pi deficiency response

Abstract

Ferroxidases LPR1, LPR2, and P5-type ATPase PDR2 mediate the accumulation of Fe, reactive oxygen species (ROS), and callose in the root tips leading to primary root growth inhibition upon Pi starvation (PS). Plasma membrane Intrinsic Proteins (PIPs) may translocate H2O2 to influence callose deposition. RNA-seq analysis in the Pi starved-root tips of wild-type (WT), hypersensitive pdr2 mutant, and insensitive lpr1lpr2 line showed that several ROS homeostasis-related genes and ROS signaling regulators were induced in WT and/or pdr2. A burst of ROS was detected in the Pi-starved stem cell niche of WT and pdr2. Moreover, PS increased the superoxide level in the root apical meristem of WT and pdr2. Although some PIPs were differentially expressed in Pi-starved root tips of WT and/or pdr2, no obvious root length phenotypes were observed in all 13 pip single mutants and pip1;3pip1;4 upon PS. The mechanism by which ROS works as signals upon PS needs further investigation.

Die Ferroxidasen LPR1, LPR2 und die P5-Typ-ATPase PDR2 vermitteln die Anreicherung von Fe, reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und Kallose in den Wurzelspitzen, was zu einer primären Hemmung des Wurzelwachstums bei Pi-Mangel (PM) führt. Plasmamembran-intrinsische Proteine (PIPs) können H2O2 translozieren, um die Kalloseablagerung zu beeinflussen. RNA-Seq-Analysen von Wurzelspitzen des Wildtyps (WT), der hypersensitiven pdr2-Mutante und der insensitiven lpr1lpr2-Linie gewachsen auf Pi-Mangel-Medium zeigten, dass mehrere ROS-Homöostase-bezogene Gene und ROS-Signalregulatoren in WT und/oder pdr2 induziert wurden. In der Pi-armen Stammzellnische von WT und pdr2 konnte eine hohe Konzentration von ROS nachgewiesen werden. Darüber hinaus erhöhte PM den Superoxidspiegel im Wurzelapikalmeristem von WT und pdr2. Obwohl einige PIPs in Wurzelspitzen, gewachsen unter Pi-Mangel-Bedingungen, von WT und/oder pdr2 unterschiedlich exprimiert wurden, konnte in allen 13 Pip-Einzelmutanten und pip1;3pip1;4 unter gleichen Bedingungen kein offensichtlicher Wurzellängen-Phänotypen beobachtet werden.