Stikstof (N)-tekort beïnvloedt eerst de N-opname en assimilatiesystemen van planten. Nitraat, de belangrijkste bron van plant N, wordt geabsorbeerd en getransporteerd door nitraattransporteurs. Nitraat kan na opname direct in de wortels worden gemetaboliseerd en in de vacuole worden opgeslagen, maar het meeste nitraat wordt naar bovengrondse plantendelen getransporteerd. N- en koolstof (C) metabolisme zijn nauw met elkaar verbonden in planten. N-tekort beïnvloedt niet alleen N-opname en -assimilatie, maar ook C-assimilatie, vooral fotosynthese. Eiwitafbraak voor N-recycling helpt planten zich aan te passen aan N-tekort.

Autofagie is een van de belangrijkste afbraak- en recyclingroutes voor eiwitten en cytoplasmatische organellen, en het speelt een cruciale rol bij het recyclen en remobiliseren van voedingsstoffen bij uithongering van voedingsstoffen. Onder N-beperkte omstandigheden kan Rubisco worden overgebracht naar de vacuole en afgebroken via een autofagie-gerelateerd gen (ATG)-afhankelijk autofagisch proces. Hoewel de functie van autofagie bij interne N-recycling uitgebreid is bestudeerd, moet nog worden onderzocht hoe autofagie de N-opname en -assimilatie en C-assimilatieprocessen beïnvloedt.

Onlangs meldden wetenschappers van de Hunan Agricultural University en de Zhejiang Agricultural University dat de autofagische route bijdraagt ​​aan een lage stikstoftolerantie (LN) door de stikstofopname en het gebruik in tomaat te optimaliseren. Ten eerste ontdekten de auteurs dat autofagiemutanten van tomaten (atg6, atg10 en atg18a) overgevoelig zijn voor LN-stress.

De auteurs gebruikten vervolgens ATG6-knockout-mutanten (atg6) en overexpressieplanten (ATG6-OE) om de biologische functies van autofagie onder LN-omstandigheden verder te analyseren en ontdekten dat ATG6-afhankelijke autofagie essentieel was voor de reactie van tomaat op N-beperkte omstandigheden. Vergeleken met WT-planten hadden de atg6-mutanten een lager biomassa- en chlorofylgehalte en aanzienlijk verminderde autofagosoomvorming na LN-stressbehandeling, terwijl de ATG6-OE-planten een hoger biomassa- en chlorofylgehalte en een grotere inductie van autofagosoomvorming hadden.

Onder LN-stress waren de N-gehalten van de scheuten en wortels van atg6- en ATG6-OE-planten respectievelijk significant lager en hoger dan die van WT-planten. Door LN geïnduceerde expressie van de nitraattransportergenen NRT1.1 en NRT2.1 was volledig aangetast in atg6, terwijl hun expressie hoger was in ATG6-OE-planten dan in WT-planten. Na LN-stressbehandeling waren de activiteiten van nitraatreductase en nitrietreductase in bladeren van ATG6-knock-outmutanten en ATG6-OE-planten respectievelijk in verschillende mate verminderd en verhoogd in vergelijking met WT-planten.

Deze gegevens gaven aan dat autofagie betrokken is bij N-transport en assimilatie onder LN-omstandigheden. Verdere analyse toonde aan dat ATG6-afhankelijke autofagie de assimilatie van zowel N als C bevordert en vervolgens bijdraagt ​​aan plantengroei onder LN-stress. Entingsexperimenten waarin ATG6-knockout-mutanten werden geënt met WT-planten als telgen of onderstammen suggereerden verder dat ATG6-afhankelijke autofagie het N-metabolisme, fotosynthese en plantengroei onder LN-omstandigheden systematisch verhoogt. Dit werk is gepubliceerd in het tijdschrift Horticulture Research .

"Onze resultaten onthullen nieuwe functies van autofagie, d.w.z. het reguleren van de opname en het gebruik van N, evenals de assimilatie van C, naast het recyclen en remobiliseren van voedingsstoffen in tomaat onder LN-stress", aldus de auteurs. "Het opzettelijk verbeteren van autofagie kan een gunstige strategie zijn om de groei en opbrengst van gewassen te verbeteren onder stikstofarme omstandigheden."