Contribution of PPCK-PPC module to phosphate-dependent malate accumulation and exudation in Arabidopsis thaliana

Abstract

Phosphate (Pi) limitation is pervasive in many ecosystems and is largely caused by Pi complex formation with soil abundant metals such as Fe or Al. To combat this, plants synthesize and exude organic acids such as malate which mobilize and enhance Pi uptake from the rhizosphere. This study investigated the role of Arabidopsis phosphoenolpyruvate carboxylase kinases and phosphoenolpyruvate carboxylase (PPCK-PPC module) during Pi deficiency by investigating (i) cell expression domains of PPCs, (ii) impact of PPCs overexpression and (iii) impact of ppck mutants on root malate levels and exudation. The results revealed that PPCs are expressed in different cell layers and that overexpression of C3 PPCs in Arabidopsis enhances accumulation of malate in roots. Furthermore, overexpression of PPC2 led to enhanced malate exudation. Additionally, ppck1 and ppck1ppck2 mutants accumulated and exuded less malate during Pi starvation. These results reveal that modulation of the PPCK-PPC module can be used to alter malate levels and mitigate Pi uptake in plants.

Viele Ökosysteme weisen eine begrenzte Bioverfügbarkeit von Phosphat (Pi) auf – in großen Teilen verursacht durch die Komplexierung mit im Erdreich abundanten Metallen, wie Fe und Al. Um dem entgegenzuwirken, synthetisieren und exsudieren Pflanzen organische Säuren wie Malat, die Pi mobilisieren und die Pi-Aufnahme aus der Rhizosphäre unterstützen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Rolle der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase und der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PPCK-PPC-Modul) bei Phosphatmangel durch die Analyse (i) der PPC-Expressionsdomänen, (ii) dem Einfluss von PPC-Überexpression und (iii) die Auswirkung der ppck Mutation auf Malatlevel in der Wurzel und der Rhizosphäre. Es konnte gezeigt werden, dass PPCs in verschiedenen Zellschichten exprimiert werden und die Überexpression von C3 PPCs Malatakkumulation in der Wurzel verstärkt. Des Weiteren führt die Überexpression von PPC2 zu erhöhter Malatexsudation. Im Gegensatz dazu akkumulieren und exsudieren ppck1 und ppck1ppck2 Mutanten weniger Malat bei Phosphatmangel. Diese Resultate enthüllen, dass durch die Manipulation des PPCK-PPC-Moduls die zellulären Malatlevel verändert und die pflanzliche Pi-Aufnahmekapazitäten mitigiert werden können.