Iron mobilization and reduction by coumarin-type siderophores in roots of Arabidopsis thaliana

Abstract

In vielen nicht-graminäen Pflanzen unterstützt die Abgabe von Coumarinen die Eisenaneignung, aber der zugrunde liegende Mechanismus ist immer noch kaum verstanden. Ziel dieser Arbeit war es die Chelatisierungs- und Reduktionskapazität von Coumarinen, die von Arabidopsis thaliana unter Eisenmangel abgeben werden, zu bestimmen und festzustellen, wie der externe pH-Wert die Coumarin-Zusammensetzung in Wurzeln und Wurzelabscheidungen beeinflusst. Fraxetin und Sideretin zeigten die höchste Eisen(III)-Reduktionskapazität insbesondere bei saurem pH und waren in der Lage die FRO2-vermittelte enzymatische Reduktion bis zu einem pH-Wert von 6.5 zu umgehen. Gleichzeitige Unterbrechung der Coumarinsynthese und FRO2 Aktivität resultierte in schlechtem Pflanzenwachstum und straken Eisenmangelsymptomen, was zeigt, dass die der Eisenaufnahme vorgeschaltete Eisen(III)-Reduktion fast ausschließlich von Coumarinen und FRO2 abhängig ist. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die FRO2 Aktivität und der externe pH-Wert die Expression von Genen, die an der Coumarinsynthese und -sekretion beteiligt sind, modulieren und dadurch die Coumarin-Zusammensetzung in Wurzelabscheidungen tiefgreifend verändern.

In many non-graminaceous plants, coumarin secretion supports iron (Fe) acquisition but the underlying mechanism is still poorly understood. The present thesis aimed to determine the chelation and reduction capacities of coumarins released by Fe-deficient Arabidopsis thaliana and to establish how the external pH affects the coumarin composition of roots and root exudates. Fraxetin and sideretin showed the highest capacity for ferric Fe reduction, especially at acidic pH, and were able to bypass FRO2-mediated enzymatic reduction up to pH 6.5. Simultaneous disruption of coumarin synthesis and FRO2 activity resulted in poor plant growth and severe Fe-deficiency symptoms, showing that bulk ferric Fe reduction prior to root uptake relies almost exclusively on coumarins and FRO2. Furthermore, the study revealed that FRO2 activity and the external pH modulate the expression of genes involved in coumarin biosynthesis and secretion thereby profoundly changing coumarin composition of root exudates.