Identification and characterization of genes involved with iron-dependent root growth under limiting phosphorus

Abstract

Phosphorus (P) is essential for plant growth but often limited due to strong sorption onto aluminum and iron (Fe) oxides. While malate secretion helps plants to mobilize P, it can lead to excess Fe accumulation in root tips, inhibiting root growth. This thesis identified and characterized two genes in Arabidopsis thaliana critical for Fe-dependent root growth under low P. HYP1, a member of the CYBDOM family, was found to encode a plasma-membrane protein that mediates ascorbate-dependent ferric and cupric reduction. Under low P, disruption of HYP1 results in Fe overaccumulation, loss of meristem integrity and severely inhibited root elongation, while its overexpression prevents P deficiency-induced root inhibition. Furthermore, MDHAR3, encoding a putative ascorbate-regenerating enzyme, was found to partially co-localize with HYP1 in the root meristem. Thus, this thesis uncovered a novel ascorbate-dependent ferric reduction mechanism that maintains root meristem integrity under low-P conditions.

Phosphor (P) ist essentiell für das Pflanzenwachstum, aber durch seine starke Sorption an Aluminium- und Eisenoxide (Fe) oft begrenzt. Die P-Mobilisierung durch Malatexsudation führt auch zu einer Fe-Überakkumulation in den Wurzelspitzen und hemmt das Wurzelwachstum. In dieser Arbeit wurden zwei Gene in Arabidopsis thaliana identifiziert und charakterisiert, die für das Fe-abhängige Wurzelwachstum bei P-Mangel kritisch sind. HYP1 kodiert für ein Plasmamembranprotein der CYBDOM-Familie, das Ascorbat-abhängige Fe- und Kupferreduktion vermittelt. Die Deletion von HYP1 führte zur Fe-Überakkumulation, zum Verlust der Meristemintegrität und zu einer stark gehemmten Wurzeldehnung, während die Überexpression von HYP1 die P-Mangel induzierte Wurzelhemmung verhinderte. MDHAR3, ein mutmaßlich ascorbatregenerierendes Enzym, wurde teilweise zusammen mit HYP1 im Wurzelmeristem lokalisiert. Der identifizierte ascorbatabhängige Fe-Reduktionsmechanismus sichert die Integrität des Wurzelmeristems bei geringer Phosphorverfügbarkeit.