In vivo metabolic regulation of plant respiration under salt and nutrient stress. Interaction with mycorrhiza

Abstract

[eng] The regulation of the alternative respiration in plants under nutrient deficiency and osmotic stresses is not fully understood. Both stresses have important repercussions on plant growth, and they have shown to increase the activity of the alternative oxidase (AOX) in different situations, although not always. Such a disparity may reside in duration, stress severity and plant stress tolerance. Under stress, increases of AOX activity are considered as an adaptation of the respiratory metabolism when the activity of the cytochrome oxidase (COX) is restricted. This phenomenon was observed only in roots of plants grown under long-term P limitation; AOX activity allowed the synthesis of respiratory metabolites such as citrate, a tricarboxylic organic acid (TCA) that is exuded into the rhizosphere to increase the availability of P. It is also known that plants increase the synthesis of several metabolites in response to salinity, but their relation with AOX activity has not been tested. Thus, the metabolic regulation of AOX activity under both P-limitation and salinity has been poorly studied. For a deeper understanding of the regulation of the respiratory metabolism under both stresses, I studied the effect of different long and short-term salt and nutrient stress. I also tested this regulation by using arbuscular mycorrhizal (AM) fungus colonization, reputed to benefit P uptake, to decrease the exudation of rhizosphere exudates, and to confer tolerance in plants. On the top of that, the role of AOX activity in AM plants is unknown, which could provide further information about the effect of AM colonization on plant respiration, a controversial issue in literature. Tests were performed by using the oxygen isotope technique to measure the in vivo activities of COX and AOX. My results showed that AOX activity allowed an acclimation of respiration favoring the synthesis of TCA metabolites and others synthesized from TCA cycle under P limitation and salinity. Moreover, I observed different responses of AOX activity in AM organs with influence on plant growth. In AM leaves, increases of AOX activity contributed to synthesize ATP allowing faster rates of shoot growth under longterm salt stress. In AM roots, slower rates of AOX activity under long-term P limitation allowed an accumulation of carbon due to the lack of a demand for the synthesis of rhizosphere exudates. Finally, I noticed that changes on plant P status regulates P uptake by modulating AOX activity, which allows the synthesis of citrate.

[spa] La regulación de la respiración alternativa en plantas bajo estrés nutricional y salino no es del todo comprendida. Ambos estreses tienen importantes repercusiones en el crecimiento vegetal, y además han incrementado la actividad de la oxidasa alternativa (AOX) en algunos casos. Tal disparidad puede residir en la duración, severidad del estrés, y la tolerancia de la planta frente a éstos estreses. Bajo estrés, incrementos de actividad son considerados adaptaciones del metabolismo respiratorio cuando la actividad de la citocromo oxidasa (COX) es restringida. Tal efecto se observó sólo en raíces de plantas crecidas bajo en deficiencia de fósforo (P); donde la actividad AOX permitió la síntesis de metabolitos respiratorios como citrato, un ácido tricarboxílico (TCA) que es exudado a la rizosfera para incrementar la disponibilidad de P. También se sabe que las plantas incrementan la síntesis de ciertos metabolitos en respuesta a la salinidad, pero su conexión con la actividad AOX no se ha comprobado. Por lo tanto, la regulación de la actividad AOX bajo déficit de fósforo y salinidad han sido pobremente estudiados. He estudiado el efecto de diferentes duraciones de estrés nutricional y salino para una mejor comprensión de la regulación del metabolismo respiratorio bajo ambos estreses. Además, estudié esta regulación usando micorrizas, reputadas por incrementar la adquisición de P, disminuir la exudación de carboxilatos, y conferir tolerancia en plantas. Además, el papel de AOX en plantas micorrizadas es desconocido, y podría arrojar importante información sobre el efecto de la colonización de hongos formadores de micorrizas arbusculares, lo cual es un tema controvertido en la literatura. La principal técnica empleada en esta Tesis fue la del fracionamiento isotópico, que permite medir las actividades COX y AOX. Mis resultados mostraron que la actividad AOX permitió, bajo estrés salino y nutricional, una aclimatación de la respiración favoreciendo la síntesis de metabolitos TCA y otros sintetizados a partir de este ciclo. Además, observé diferentes respuestas de la actividad AOX en diferentes órganos de plantas micorrizadas, associadas a efectos en el crecimiento vegetal. En hojas, incrementos de actividad AOX favorecieron la síntesis de ATP permitiendo rápidas tasas de crecimiento bajo ambos estreses. En raíces, tasas lentas de actividad AOX permitieron una acumulación de carbono debido a la ausencia de una demanda de carboxilatos. Finalmente, presencié cómo el contenido de P regula la adquisición de P a través de su efecto sobre la actividad AOX, la cual regula la síntesis de citrato.

[cat] La regulació de la respiració alternativa en plantes sota estrès nutricional i salí no és del tot compresa. Ambdós estressos tenen importants repercussions en el creixement vegetal, i a més han incrementat l'activitat de l'oxidasa alternativa (AOX) en alguns casos. Tal disparitat pot residir en la durada, severitat de l'estrès, i la tolerància de la planta enfront d'aquests estressos. Sota estrès, increments d'activitat són considerats adaptacions del metabolisme respiratori quan l'activitat de la citocrom oxidasa (COX) és restringida. Aquest efecte es va observar només en arrels de plantes crescudes amb deficiència de fòsfor (P); on l'activitat AOX va permetre la síntesi de metabòlits respiratoris com citrat, un àcid tricarboxílic (TCA) que és exsudat a la rizosfera per incrementar la disponibilitat de P. També se sap que les plantes incrementen la síntesi de certs metabòlits en resposta a la salinitat, però la seva connexió amb l'activitat AOX no s'ha comprovat. Per tant, la regulació de l'activitat AOX sota dèficit de fòsfor i salinitat han estat pobrament estudiats. He estudiat l'efecte de diferents durades d'estrès nutricional i salí per a una millor comprensió de la regulació del metabolisme respiratori baix tots dos estressos. A més, vaig estudiar aquesta regulació emprant micorizes, reputades per incrementar l’adquisició de P, disminuir l'exsudació de carboxilats, i conferir tolerància en plantes. A més, el paper d'AOX en plantes micorizades és desconegut, i podria llançar important informació sobre l'efecte de la colonització de fongs formadors de micorizes arbusculars, la qual cosa és un tema controvertit en la literatura. La principal tècnica emprada en aquesta Tesi va ser la del fraccionament isotòpic, que permet mesurar les activitats COX i AOX. Els meus resultats van mostrar que l'activitat AOX va permetre, sota estrès salí i nutricional, una aclimatació de la respiració afavorint la síntesi de metabòlits TCA i altres sintetitzats a partir d'aquest cicle. A més, vaig observar diferents respostes de l'activitat AOX en diferents òrgans de plantes micorizades, associades a l'efecte en el creixement vegetal. En fulles, increments d'activitat AOX van afavorir la síntesi d'ATP permetent ràpides taxes de creixement sota ambdós estressos. En arrels, taxes lentes d'activitat AOX van permetre una acumulació de carboni a causa de l'absència d'una demanda de carboxilats. Finalment, vaig presenciar com el contingut de P regula l'adquisició de P a través del seu efecte sobre l'activitat AOX, la qual regula la síntesi de citrat.