Characterization of the maize protein ZmSTOP1 and its role in drought stress response

Abstract

El déficit hídrico se ha convertido un una gran amenaza hacia la producción agrícola en todo el mundo. La identificación de nuevos actores en la respuesta al estrés por sequía en plantas cultivables es vital para entender su adaptación a crecientes cambios ambientales. El ácido abscísico (ABA) es una hormona vegetal que media las respuestas adaptativas a la sequía, como la dormancia de semillas, el cierre estomático y la detención del crecimiento de la raíz. En el caso de la regulación estomática, el ABA activa la quinasa OST1, que a su vez fosforila diferentes sustratos, por ejemplo NADPH oxidasas, canales iónicos y factores de transcripción, lo que al final conducirá al cierre estomático. Aunque el cierre estomático en respuesta a ABA es esencial para evitar la desecación y, por lo tanto, la muerte de la planta, se debe mantener un cierto nivel de conductividad estomática para permitir el intercambio de gases y la transpiración, esencial para la captación de agua y solutos a través de las raíces. Hemos identificado y caracterizado un nuevo posible factor de transcripción dedo de zinc de tipo C2H2, homólogo a la proteína de Arabidopsis Sensitive to Proton Rhizotoxicity (STOP)1, la cual es crítica para la tolerancia a aluminio y protones en suelos ácidos. Hemos determinado que ZmSTOP1 es una proteína muy bien conservada entre especies, especialmente en sus cuatro dominios de tipo dedo de zinc, los cuales son característicos de las proteínas de tipo STOP1 en las plantas. ZmSTOP1 es miembro de una familia de cinco proteínas tipo STOP1 en maíz. Presenta localización nuclear y tiene la capacidad de unir ADN, aunque no se han podido identificar dianas específicas. En este trabajo mostramos cómo ZmSTOP1 complementa el fenotipo característico de AtSTOP1 en condiciones de pH ácido. Además, detectamos que la sobreexpresión de ZmSTOP1 promueve una respuesta diferencial a ABA en raíces y hojas. El crecimiento de raíces está sobre inhibido, mientras que los estomas presentan insensibilidad a la señal de ABA, permaneciendo más abiertos que el control tras un tratamiento con ABA. Utilizando un análisis por microarray hemos podido determinar que los genes afectados por ZmSTOP1 se clasifican principalmente en señalización, regulación de la transcripción y estrés. Su sobreexpresión promueve cambios en el patrón de expresión de varios genes importantes para la homeostasis iónica y la señalización celular, como el canal de potasio KT2/3, el transportador de calcio CAX7, la NADPH oxidasa RBOHD, o la ATPasa de protones de membrana plasmática HA2, y puede inducir la expresión ectópica de estos genes en raíces u hojas. La desregulación de estos genes puede afectar el comportamiento global de la planta ante condiciones de estrés por sequía, ya que los efectos del ABA dependen profundamente en la homeostasis iónica, pudiendo representar una posible explicación para los fenotipos observados. Adicionalmente, hemos establecido que esta proteína es interactor y sustrato de la quinasa OST1. La fosforilación por parte de esta quinasa modula el efecto de ZmSTOP1 en la regulación estomática. En resumen, con la caracterización de la proteína ZmSTOP1 hemos arrojado luz sobre la compleja red que regula la tolerancia a estrés en una planta crucial para el consumo humano y animal como es el maíz. Estos resultados pueden ser importantes para enfocar futuras mejoras genéticas de la planta, ya sea por ingeniería genética o mediante mejora clásica.

Water deficit has become a very important threat to agricultural yield worldwide. The identification of new players in drought stress response among crop plants is vital to understand their adaptation to increasing environmental challenges. Abscisic acid (ABA) is a plant hormone known to mediate drought adaptative responses such as seed dormancy, stomatal closure and root growth arrest. In the case of stomatal regulation, ABA drives the activation of OST1 kinase, which phosphorylates different substrates, for example NADPH oxidases, ionic channels and transcription factors, which will finally lead to stomatal closure. Although stomatal closure in response to ABA is essential to avoid desiccation, and thus, the death of the plant, a certain level of stomatal conductivity must be maintained to permit gas exchange and transpiration, essential to drive water and solutes uptake through the roots. We identified and characterized a new maize C2H2 zinc-finger putative transcription factor that presents homology to the Arabidopsis Sensitive to Proton Rhizotoxicity (STOP)1, which is critical for aluminum and proton tolerance in acidic soils. We determined that ZmSTOP1 is a well-conserved protein between plant species, especially in its four zinc-finger domains, which are characteristic of the STOP1-like proteins in plants. ZmSTOP1 is one of a five-members family of STOP1-like proteins in maize. It localizes in the nucleus, and has the ability to bind DNA, though no specific DNA targets were identified. In this work we show how ZmSTOP1 can complement AtSTOP1 phenotype in low pH conditions. Moreover, we detected that ZmSTOP1 overexpression promotes a differential response to ABA in roots and shoots. Root growth is over-inhibited whereas stomata present insensitivity to the ABA signal, remaining more open than the wild type after ABA treatment. Through microarray analyses we determine that the genes affected by ZmSTOP1 are classified mainly in signaling, regulation of transcription and stress. Its overexpression promotes changes in the expression pattern of several genes that are important for ionic homeostasis and signaling in cells, like the potassium channel KT2/3, the calcium transporter CAX7, the NADPH oxidase RBOHD, or the plasma membrane proton pump ATPase HA2, and it can induce ectopic expression of these genes in roots or shoots. The deregulation of these genes can affect the global behavior of the plant before drought stress conditions, as ABA effects depend deeply on ionic homeostasis, and could represent a possible explanation for the phenotypes observed. Additionally, we established that this protein is an interactor and a substrate of OST1 kinase. The phosphorylation by this kinase modulates ZmSTOP1 effect on stomatal regulation. In summary, by characterizing ZmSTOP1 protein we have shed light into the complex network regulating drought tolerance in a crucial plant for human and animal consumption like maize. These results can be important for focusing further genetic improvement of the plant, by either genetic engineering or classic breeding.