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Effetto del cadmio e della solfocarenza sull’espressione di un trasportatore del solfato ad alta affinità di Brassica juncea
No full textL’assorbimento e la distribuzione sistemica del solfato nelle piante sono processi mediati da
specifici trasportatori la cui attività è altamente regolata per controllare il flusso di zolfo in
funzione della loro richiesta metabolica, nonché del loro stato nutrizionale. L’esposizione a
cadmio (Cd) influenza profondamente il metabolismo dello zolfo ed induce aumenti della
capacità delle radici di assumere solfato dal mezzo, come risposta ad un incremento dei
fabbisogni di zolfo della pianta guidato dall’attività di biosintesi delle fitochelatine. Tali
comportamenti sono simili a quelli riscontrati in piante solfocarenti, dove tuttavia l’aumento
della capacità di assumere solfato non è relazionabile a un incremento dei fabbisogni di zolfo
bensì alla sola esigenza di mantenere l’omeostasi dei flussi di questo elemento lungo le vie
assimilative. Entrambe le risposte sono controllate prevalentemente a livello trascrizionale e
sono state a lungo indicate come risultanti di uno stesso segnale nutrizionale, peraltro
controverso.
Nel presente lavoro viene evidenziata e discussa la possibilità che Cd e solfocarenza
modulino l’espressione dei trasportatori del solfato ad alta affinità di Brassica juncea
attraverso segnali indipendenti e parzialmente sovrapponibili. La scelta di B. juncea come
modello sperimentale risiede nella complessità del suo genoma; tale specie possiede infatti
entrambi i corredi cromosomici (AANN; 2n=36) dei due progenitori ancestrali che l’hanno
generata per incrocio interspecifico: B. campestris (AA; 2n=20) e B. nigra (NN; 2n=16).
Precedenti lavori condotti da questo gruppo hanno evidenziato un accumulo di trascritto di
BjST1;2 – un gene codificante per un trasportatore del solfato ad alta affinità espresso nelle
radici di B. juncea – in risposta sia a Cd sia a solfocarenza. Per questo trasportatore sono state
identificate tre diverse varianti geniche (a, b, c) derivanti dai due set cromosomici della
specie, presenti ed espresse contemporaneamente in un unico individuo. La presenza di
polimorfismi nelle loro sequenze permette di accoppiare l’uso di enzimi di restrizione alle
tecniche di RT-PCR semiquantitativa, allo scopo di evidenziare eventuali comportamenti
differenziali nell’attività di trascrizione delle tre varianti. In particolare, l’incremento nei
livelli di trascritto di BjST1;2 in seguito a limitata disponibilità di solfato risulta imputabile a
tutte e tre le varianti individuate; diversamente, l’esposizione a Cd determina l’accumulo di
trascritto di due sole varianti (b e c).
I risultati ottenuti evidenziano chiaramente che geni codificanti per lo stesso trasportatore
rispondono in modo differenziale a Cd e solfocarenza, suggerendo l’esist enza di vie multisegnale
a controllo dei processi di assunzione e assimilazione del solfato in condizioni di
diverso stato nutrizionale.
L’impiego di specie anfidiploidi negli studi di controllo trascrizionale del trasporto
consente quindi di evidenziare eventuali vie multi-segnale di regolazione. La complessità del
genoma di tali specie, soprattutto in relazione alla presenza di geni duplicati, consente infatti
l’accumulo di mutazioni altrimenti eliminate dalla selezione naturale, che possono invece
fornire preziose informazioni sui meccanismi di regolazione trascrizionale. Nel caso in esame
la perdita della capacità della variante a di rispondere al Cd non compromette la risposta
complessiva di BjST1;2 al metallo, che viene infatti garantita dalle varianti b e c
Using an amphidiploid species to study sulfate transporter regulation
No full textPlant sulfate uptake and systemic distribution are processes mediated by specific transporters whose activity is finely tuned to control sulfur fluxes in the plants depending on their metabolic needs, and their sulfur nutritional status. Cd exposure deeply affects sulfur metabolism and increases the root capability to take up sulfate, as a consequence of the increased plant sulfur needs depending on phytochelatin biosynthesis. Such a behavior is similar to that of sulfur starved plants, although in this case the increased capability to take up sulfate does not derive from increased plant sulfur needs but from the need to maintain the homeostasis of sulfur fluxes along the assimilatory pathway. Both the responses are mainly controlled at transcriptional level and have often been indicated as resulting from the same, although controversial, nutritional signal.
We think that the use of amphidiploid species in the transcriptional control studies of sulfate transporters could be useful in order to underline possible multi-signalling regulatory pathways. In fact, the complexity of the amphidiploid genome, mainly concerning the existence of duplicated genes, may have led to the accumulation of mutations, which otherwise would have been eliminated by natural selection, that could give precious information on the transcriptional regulation mechanisms. Here we discuss the possibility that Cd and sulfur starvation modulate the expression of a high affinity sulfate transporter of Brassica juncea, an amphidiploid species carrying both the chromosomal sets of the ancestral parents Brassica nigra and Brassica campestris, through independent and partially overlapping signal
Preliminary characterisation of two pilot bioindicators for sulfur nutritinal status
No full textBackground
Although much progress has been made in improving fertilization practices there remain considerable uncertainties about the persistence of nutrients in the soil and their actual availability to the plants. Developing specific bioassays based on the use of “sentinel plants” to quickly determine nutrient bioavailability and/or crop nutritional status, may represent a reliable and efficient strategy to obtain valuable, timely and low-cost information about changes in nutrient availability and nutritional requirement in a crop system.
Methods
Two Arabidopsis gene trapping lines in which two different portions of an intergenic region between At1g12030 and At1g12040 control the expression of the GUS reporter gene have been characterized for the reporter specific responses to sulfur.
Results
The main results of this study showed that the two intergenic regions have promoting activities closely related to the sulfur nutritional status of the plants, since the expression levels of the GUS reporter gene were closely related to the thiol content in the tissues. RT-PCR analyses showed that the two genes flanking the intergenic regions (At1g12030 and GUS) were similarly induced under sulfur starvation.
Discussion/ Conclusion
The two intergenic regions could be useful to develop transgenic bioindicators, since they were able to promote reporter activation under different sulfur nutritional status. Moreover, transcriptional analysis suggests that these intergenic regions might have a bi-directional activity in controlling the expression of two flanking genes under sulfur limitation.
New Arabidopsis lines carrying GUS reporter gene under the control of different portions of the intergenic region between At1g12030 and At1g12040 in the two possible orientations have been obtained. Such new lines will be characterized for the activity of the different synthetic promoters in response to plant sulfur nutritional status and/or sulfate availability in the soil solution
Sentinel plants to improve sulfur use efficiency: living instruments for nondestructive analysis
No full textDeveloping specific bioassays based on the use of “sentinel plants” to quickly determine nutrient bioavailability and/or crop nutritional status may represent a reliable and efficient strategy to obtain valuable, timely and low-cost information about changes in nutrient availabilities and nutritional requirements in a crop system.
Two Arabidopsis pilot bioindicators - carrying the GUS reporter gene under the control of two portions of theintergenic region between At1g12030 and At1g12040 - have been characterized for their potential ability to provide information about the sulfur nutritional status of the plant and/or the sulfate concentration in the growing medium. For this purpose, the two lines were grown in agar plates under a continuous sulfate gradient ranging from 0 to 150 μM in order to describe the growth of both roots and shoots as a function of sulfate external concentration and to determine the critical concentration of sulfate (i.e. the minimum concentration of sulfate necessary to achieve maximum biomass) in the growing medium.
The main results indicate that both the pilot lines are able to correctly indicate the critical concentration of sulfate in the external medium also in the presence of interfering metal ions (such as cadmium) able to increase the plant metabolic demand for sulfur. Moreover, the two intergenic regions are suggested as bi-directional promoters able to control the expression of two flanking genes under sulfur limitation
Cadmium exclusion from rice grains : development of molecular and physiological markers
No full textCd accumulation in rice shoots and grains depends on its uptake by roots, xylem-loading-mediated translocation to shoots, and further translocation to grains via the phloem. Here we present a preliminary characterizations of rice genes involved in these processes: PCS1 and PCS2, coding for two isoforms of phytochelatin synthase, and HMA2 and HMA4, belonging to the P1B-Type ATPase heavy metal transporter family
Cadmium retention capacity in rice roots is influenced by cadmium availability, chelation and translocation
No full textUsing Arabidopsis thaliana gene trapping lines to develop plant cadmium-specific bioindicators
No full textDeveloping plant bioindicators for plant sulfur nutritional status and/or sulfate availability in the rhizosphere.
No full textAssorbimento del solfato: un metodo alternativo per la valutazione delle caratteristiche cinetiche dei sistemi di trasporto
No full textI sistemi di trasporto del solfato nelle piante sono codificati da una famiglia multigenica e
presentano peculiari caratteristiche cinetiche, nonché domini di espressione tissutale, che sono
alla base del loro ruolo funzionale all’interno dell’organismo. Il solfato assunto dalle radici
deve essere infatti allocato a tutti gli organi e tessuti della pianta per soddisfare i loro
fabbisogni nutrizionali di zolfo. La distribuzione sistemica dello ione nella pianta necessita
quindi di trasportatori localizzati sulla membrana plasmatica delle cellule del rizoderma e del
parenchima corticale della radice - che permettano l’ingresso del nutriente nel sistema
simplastico - e di sistemi di trasporto per il caricamento e lo scaricamento dello xilema e del
floema. Bisogna inoltre considerare che la necessità delle singole cellule di trasportare il
solfato nei plastidi - dove avviene l’assimilazione riduttiva – e di compartimentarlo nei
vacuoli, rende essenziale la presenza di ulteriori trasportatori specifici per ogni sistema di
membranario coinvolto.
Molti geni, o cDNA, codificanti per trasportatori del solfato sono stati clonati e
caratterizzati in diverse piante con riferimento alla loro struttura ed ai loro profili di
espressione. Tali geni codificano per polipeptidi delle dimensioni di 70-74 kDa, che si
comportano come trasportatori ad alta e a bassa affinità per il solfato quando studiati - con
metodi convenzionali che prevedono l’uso di traccianti radioattivi - in sistemi di espressione
eterologa, quali ceppi di lievito difettivi per l’assunzione dello ione.
In questo lavoro viene presentato e discusso un metodo alternativo all’uso di radioisotopi
dello zolfo per la valutazione delle caratteristiche cinetiche dei trasportatori del solfato, basato
esclusivamente sull’analisi delle crescite in terreni caratterizzati da diverse fonti di zolfo di
mutanti di lievito che esprimono in modo eterologo i trasportatori di alcune piante
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