Lateral root development in response to local supplies of different nitrogen forms

Abstract

Diese Studie zeigt, wie ein lokales Ammoniumangebot die Lateralwurzelverzweigung, durch Modulation des PIN-vermittelten polaren Auxintransports und der pH-abhängigen radialen Auxindiffusion, auslöst. Lokal appliziertes Ammonium unterdrückt die Expression von PIN2 und fördert die Expression von PIN4 in Lateralwurzelspitzen, was zu einer Auxinakkumulation im Zentralzylinder der Lateralwurzel in der Verzweigungszone führt. Zusätzlich fordert die Protonenfreisetzung, als Folge der AMT1;3-vermittelten Ammoniumaufnahme, die apoplastischen Ansäuerung. In Folge dessen, kommt es zu vermehrter Auxinprotonierung und verstärkter radialer Auxindiffusion, wodurch Auxin vom Zentralzylinder zu den äußeren Zellschichten der Wurzel gelangt. Hier löst Auxin das vermehrte Auswachsen von Lateralwurzel höherer Ordnung aus und stimuliert so die Bildung eines stark verzweigten Wurzelsystems. Die vorliegende Studie legt eine neue Grundlage, um zu verstehen, wie lokalisierte N-Verfügbarkeit die Auxinverteilung in Pflanzen moduliert und so die Lateralwurzelentwicklung neu programmiert, um die Wurzelarchitektur an sich verändernde Umweltbedingungen anzupassen.

This study explains how local ammonium triggers LR branching via modulating PIN-mediated polar auxin transport and pH-dependent radial auxin diffusion. Localized ammonium supply represses PIN2 expression and up-regulates PIN4 expression in LR tips, which promotes shoot-to-root auxin transport and leads to auxin accumulation in the vasculature of the LR branching zone. This process generates an auxin source for subsequent auxin diffusion. Meanwhile, proton release as a consequence of AMT1;3-mediated ammonium uptake leads to apoplastic acidification, auxin protonation and enhanced radial auxin diffusion, directing auxin from the vasculature to outer cell layers. The influence of local ammonium on auxin distribution synergistically stimulates LR emergence, shaping a highly branching root system. The present study lays a new basis to understand how localized N availability modulates auxin distribution in plants and subsequently reprograms LR development to alter root system architecture in a changing environment.