Transporters mediating ammonium uptake in plants and their regulation by the abiotic stress signaling pathway

Abstract

Nitrogen nutrition refers to the uptake, assimilation, and utilization of ammonium, nitrate, and organic nitrogen sources. Ammonium is energetically a more cost-effective nitrogen source than nitrate but can be toxic for plants, and its use by plants is regulated at different levels. Ammonium transporters (AMTs) take up ammonium and are localized primarily in plant roots, working as trimers in the plasma membrane. Under high external ammonium concentrations, phosphorylation in AMTs C-termini shuts down transport to avoid toxicity. This phosphorylation is performed by CIPK23, a kinase shown to be inhibited by Clade A PP2Cs. This study aimed to characterize AMTs from wheat and analyze their transcriptional response to ammonium. Another aim was to determine the role of clade A PP2Cs and PYR/PYL receptor proteins for abscisic acid in ammonium nutrition. Chapter I describes the physiological responses of winter wheat to different nitrogen sources and ammonium concentrations. The plants mainly used root morphological responses to adapt to differences in the nitrogen source. High external concentrations of ammonium reduced plant growth, while these conditions induced the expression of TaAMT1;1 and TaAMT1;2. In Chapter II, we studied the capacity of TaAMT2s to transport ammonium and their transcriptional responsiveness to ammonium nutrition. From the six TaAMT2s, only TaAMT2;1 could transport ammonium in a yeast complementation line. Besides, its expression in roots is lower under ammonium than under nitrate. The expression pattern among the remaining TaAMT2s (TaAMT2;2-TaAMT2;6) is similar, with higher expression under ammonium, in both roots and leaves, compared to nitrate. Chapter III focused on the role of the PP2C phosphatase ABI1 (ABA-insensitive 1) in ammonium nutrition and the effect of external ammonium concentrations on ABA concentrations. Ammonium increased ABA concentrations in roots by activating ABA-GE, meaning ammonium toxicity could be sensed as abiotic stress through ABA. Without ammonium, ABI1 dephosphorylates AMTs and inhibits CIPK23; with ammonium, ABA-PYR/PYL complex-mediated inhibition of ABI1 releases CIPK23 to phosphorylate AMTs and avoids ammonium toxicity. Finally, in Chapter IV, we studied the role of AIP1 and its ammonium-dependent regulator, PYL8, in nitrogen nutrition. We described the function of AIP1, which was redundant to ABI1 in AMT regulation. Based on ammonium-dependent root architecture changes, and higher auxin accumulation in pyl8-1 root tips compared to the wild type, we suggest that PYL8 is involved in root-phenotype modulation in an ammonium-dependent manner.

Stickstoffernährung beinhaltet die Aufnahme, Assimilation und Verwertung von Ammonium, Nitrat und organischen Stickstoffquellen. Ammonium ist energetisch gesehen eine kostengünstigere Stickstoffquelle als Nitrat, kann aber für Pflanzen giftig sein, weshalb seine Verwendung durch Pflanzen auf verschiedenen Ebenen reguliert wird. Ammoniumtransporter (AMTs) nehmen Ammonium auf und sind hauptsächlich in den Wurzeln der Pflanzen lokalisiert, wo sie als Trimere in der Plasmamembran arbeiten. Bei hohen externen Ammoniumkonzentrationen wird der Transport durch Phosphorylierung in den C-Termini der AMTs unterbrochen, um Toxizität zu vermeiden. Diese Phosphorylierung wird von der Kinase CIPK23 durchgeführt, die nachweislich durch PP2C A Phosphatasen gehemmt werden kann. Ziel dieser Arbeiten war die Charakterisierung von AMTs aus Weizen und die Analyse ihrer transkriptionellen Reaktion auf Ammonium. Ein weiteres Ziel war die Bestimmung der Rolle von PP2C A Phosphatasen und PYR/PYL, Rezeptoren für Abscisinsäure, bei der Ammoniumernährung. In Kapitel I wurden die physiologischen Reaktionen von Winterweizen auf verschiedene Stickstoffquellen und Ammoniumkonzentrationen beschrieben. Dabei reagierten die Weizenkeimlinge hauptsächlich durch morphologische Veränderungen im Wurzelwachstum. Obwohl hohe externe Ammoniumkonzentrationen das Wachstum verringerten wurde die Transkription der hoch affinen Ammoniumtransporter TaAMT1;1 und TaAMT1;2 durch Ammonium induziert. In Kapitel II untersuchten wir die Fähigkeit von TaAMT2s, Ammonium zu transportieren, und ihre transkriptionelle Reaktion auf Ammoniumernährung. Von den sechs TaAMT2s konnte nur TaAMT2;1 in einer Hefemutante Ammonium transportieren. Außerdem ist seine Expression in Wurzeln unter Ammonium geringer als unter Nitrat. Das Expressionsmuster der übrigen TaAMT2s (TaAMT2;2-TaAMT2;6) ist ähnlich, mit einer höheren Expression unter Ammonium, sowohl in Wurzeln als auch in Blättern, im Vergleich zu Nitrat. Kapitel III befasste sich mit der Rolle der ABI1 (ABA Insensitiv 1) PP2C A Phosphatase bei der Ammoniumernährung und den Auswirkungen externer Ammoniumkonzentrationen auf die ABA-Konzentrationen. Ammonium erhöhte die ABA-Konzentrationen in den Wurzeln durch Aktivierung von ABA-GE, was bedeutet, dass Ammoniumtoxizität als abiotischer Stress durch ABA wahrgenommen werden könnte. Ohne Ammonium dephosphoryliert ABI1 die AMTs und hemmt CIPK23; mit Ammonium setzt die durch den ABA-PYR/PYL-Komplex vermittelte Hemmung von ABI1 CIPK23 frei, um die AMTs zu phosphorylieren und Ammoniumtoxizität zu vermeiden. In Kapitel IV schließlich haben wir die Rolle von AIP1 und dessen Ammonium-abhängigen Regulator PYL8 bei der Ammoniumernährung untersucht. Die Funktion von AIP1 in der Regulation der Ammoniumaufnahme ist redundant mit der von ABI1 beschrieben. Die ammoniumabhängigen Veränderungen der Wurzelarchitektur und erhöhte Akkumulation von Auxin in den Wurzelspitzen der pyl8-1 Pflanzen im Vergleich zum Wildtyp legen nahe, dass PYL8 an der Modulation des ammoniumabhängigen Wurzelphänotyps beteiligt ist.