Impactul nutriției sulfului asupra dezvoltării plantelor, metabolismului și răspunsurilor la stres

Stanislav Kopriva, Mario Malagoli, Hideki Takahashi, Sulphour nutrition: impacts on plant plants, metabolism, and stress answers, Journal of Experimental Botany, volumul 70, numărul 16, 15 august 2019, paginile 4069–4073, https://doi.org /10.1093/jxb/erz319

nutriției

Sulful este un element esențial pentru toate organismele și are o mare varietate de funcții. Nutriția cu sulf a plantelor este deosebit de importantă, deoarece plantele sunt sursa noastră principală de aminoacizi esențiali metionină. Deficitul de sulf afectează creșterea, dezvoltarea, rezistența la boli și performanța plantelor și are un impact mare asupra calității nutriționale a culturilor. În acest număr special, o colecție de lucrări bazate în principal pe contribuțiile din cadrul celui de-al 11-lea Workshop internațional cu privire la sulful plantelor oferă o prezentare generală a diferitelor fațete ale funcțiilor sulfului în plante și subliniază importanța nutriției sulfului pentru diferite părți ale ciclului de viață al plantelor.

Plantele preiau sulfatul (SO4 2-) din sol și sintetizează S-aminoacizii cisteină (Cys) și metionină (Met). În calea de asimilare a sulfatului reductiv, SO4 2- este mai întâi activat la adenozină 5’-fosfosulfat (APS) utilizând ATP, care este urmat de reducere la sulfit (SO3 2-) și apoi la sulfură (S 2-). Cys se formează prin condensarea S2- și a unui aminoacid derivat din scheletul de carbon O-acetilserină (OAS). SO3 2- este necesar pentru biosinteza sulfolipidelor. S 2- este implicat în modificarea proteinelor și controlul redox. Met și S-adenosilmetionina (SAM) sunt sintetizate în aval de calea biosintetică Cys. SAM servește ca donator de metil pentru diferite reacții de metilare și substrat pentru biosinteza etilenei. Glutationul (GSH; γ-glutamil-cisteinilglicina) sintetizat din Cys joacă roluri esențiale în controlul redox și detoxifierea moleculelor citotoxice, cum ar fi speciile reactive de oxigen (ROS) și metalele grele.

La plante, după activarea SO4 2- la APS, calea de asimilare a sulfatului se bifurcă în două căi - una pentru reducerea SO4 2-, așa cum s-a menționat mai sus, și cealaltă pentru biosinteza 5’-fosfosulfatului de 3’-fosfoadenozină (PAPS). PAPS servește ca donator de sulfat pentru sulfatarea peptidelor, hormonilor și a metaboliților specializați. Sulfatarea modulează astfel funcțiile peptidelor și ale metaboliților implicați în procesele biologic importante din ciclul de viață al plantelor, cum ar fi atenuarea stresului abiotic/biotic și reglarea creșterii. 3’-Phosphoadenosine 5’-phosphate (PAP), produsul secundar al sulfatării, acționează ca un semnal retrograd pentru răspunsurile la stres. Metaboliții specializați derivați din Cys și sulfatare contribuie la gusturile și aromele alimentelor și sunt cunoscuți și ca nutraceutice.

Diagrama ilustrează o imagine de ansamblu asupra căilor metabolice S care evidențiază conexiunile acestora cu procesele biologice esențiale. Sunt afișate numai căile reprezentative. Compușii S afișați în sensul acelor de ceasornic: 5'-fosfosulfat de adenozină (1), sulfoquinovozil dipalmitoylglycerol (2), cisteină (3), metionină (4), glutation (5), S-adenosilmetionină (6), alicină (7) ), glucozinolat (8), fitosulfokină (9).

Cercetarea sulfului în era post-genomică

Printre noile abordări care au fost permise prin creșterea datelor, studiile de asociere la nivel de genom (GWAS) au avut un impact deosebit de puternic asupra domeniului cercetării sulfului (Chan și colab., 2011; Chao și colab., 2014). GWAS își demonstrează puterea nu numai în identificarea genelor responsabile de variația, de exemplu, a conținutului de sulfat sau a compoziției de glucozinolat, ci și în furnizarea de idei și întrebări suplimentare despre factorii ecologici ai adaptărilor în metabolismul sulfului. Mai multe GWAS au profitat de dezvoltarea abordării ionomice, o metodă cu randament ridicat pentru determinarea compoziției elementare a plantelor (Chao și colab., 2014). Impactul ionomicii asupra cercetării sulfului a fost demonstrat prin descoperirea unui mecanism unic de reglare epigenetică (Huang și colab., 2016), iar abordarea ne ajută, de asemenea, să înțelegem interconectarea mai multor substanțe nutritive, așa cum este descris de Courbet și colab. (2019) în acest număr special.

O mulțime de cercetări referitoare la sulf în speciile de plante nemodificate au vizat abordarea întrebărilor relevante cu privire la impactul agricol al sulfului și la trăsăturile asociate cu calitatea nutrițională a culturilor. Există mai multe exemple prezentate în acest număr special, cum ar fi metabolismul aminoacizilor care nu conțin sulf în proteinele din leguminoase (Joshi și colab. 2019), analiza efectelor deficitului de sulf și a stresului apei asupra compoziției proteinelor din mazăre . al., 2019) și o examinare detaliată a sintezei compușilor organosulfurici în ceapă și usturoi (Yoshimoto și Saito, 2019). Interesul pentru speciile non-model nu se limitează la culturi, iar Jobe și colab. (2019) prezintă o revizuire cu accent pe metabolismul sulfului la plantele C4. Cu toate acestea, în ciuda acestei diversificări a gamei de specii care sunt studiate în era post-genomică, subiectele și abordările tradiționale ale speciilor de plante model rămân încă foarte relevante în cercetarea sulfului.