On the function of guard cell transporters in the response of Arabidopsis thaliana to changes in CO2 and water availability

Abstract

Plants represent the major sources worldwide of human foods and livestock feeds. Thus, future food security will clearly depend on how plant species respond to global environmental changes. Increases in carbon dioxide concentration [CO 2 ] in the atmosphere and fluctuations in rain patterns are amongst the main climate changes affecting crop yield. Notably, crop yield decreases under drought, yet elevated [CO 2 ], when associated with drought, may mitigate the negative effects of drought. Among the physiological effects of elevated [CO 2 ], partial stomatal closure and synergistically increased water use efficiency (WUE), leading to higher growth, are usually observed. However, either higher growth or survival of plants under high [CO 2 ] will directly depend on the degree of water availability into the soil. Water losses are controlled directly by the stomata, functionally specialized microscopic pores in leaf surface, that regulates the flow of gases between plants and atmosphere. Accordingly, stomata are the key entry point for CO 2 assimilation and water losses, controlling the essential exchange of CO 2 and H 2 O with the environment in land plants. Stomatal movements occur in response to the activation and inactivation of membrane proteins present in the guard cells. The relationship between stomatal aperture and photosynthesis/transpiration is linear over a wide range of environmental conditions. Thus, a better understanding of stomatal regulation by environmental stimuli represents an important step for developing plants in which WUE and photosynthesis capacity are optimized, once the maintenance of photosynthesis, one of the main events of the primary metabolism, and its capacity may directly influence crop yield. This thesis is largely focused on the role of proteins involved in the stomatal movements in response to changes in both [CO 2 ] and water availability. To this end, two stomatal proteins in Arabidopsis thaliana, namely the slow-type anion channel (SLAC1) and the ATP-binding cassette B14 transporter (ABCB14) were used to further investigate the duality of the efficiency between the CO 2 influx and the water efflux by the stomata under elevated [CO 2 ] and water limitation. SLAC1 is considered a key protein for stomatal closure in response to drought and [CO 2 ], while ABCB14 is the sole influx transporter of malate of the guard cell and is only responsive to increased CO 2 . The main goal of this study is to increase our understanding of the stomatal regulation in response to a realistic future climate change scenario using a metabolic, physiological, anatomical and molecular characterization of mutant plants with opposite stomatal responses. First, our results demonstrated that slac1 mutant plants are seemingly constantly under stress effect, regardless of the water restriction, since to sustain the increased stomatal conductance (g s ) slac-1 mutant plants display an elegant metabolic reprogramming that is apparently crucial for growth survival under moderate water limitation. Here we further hypothesized that ABCB14 may play an important role while allowing a modest stomatal opening that may be essential for continuity of gas exchanges under high [CO 2 ] conditions. In the second part, it was demonstrated that despite the reductions in the stomatal opening, the absence of a functional guard cell ABCB14 protein does not compromise overall photosynthetic activity and growth and that an exquisite metabolic and genetic regulation occurs in guard cells likely compensating, at least partially, the functional lack of abcb14. The data obtained here are discussed in the context of the role of each guard cell transport both generally to guard cell and photosynthetic metabolism and specifically with respect to its function in the regulation of stomatal aperture.

As plantas representam as principais fontes mundiais de alimentos e rações para animais. Assim, a segurança alimentar futura dependerá claramente de como as espécies de plantas respondem às mudanças ambientais globais. O aumento da concentração de CO 2 [CO 2 ] na atmosfera e as flutuações nos padrões de chuva estão entre as principais mudanças climáticas que afetam o rendimento das culturas. Notavelmente, o rendimento das culturas diminui sob a seca, ainda que a elevada [CO 2 ], quando associado à seca, pode mitigar os efeitos negativos da seca. Entre os efeitos fisiológicos do elevado [CO 2 ], o fechamento parcial dos estômatos e o aumento sinérgico da eficiência do uso da água (WUE), levando a um maior crescimento, são geralmente observados. No entanto, o crescimento mais alto ou a sobrevivência de plantas sob alta [CO 2 ] dependerão diretamente do grau de disponibilidade de água no solo. As perdas de água são controladas diretamente pelos estômatos, poros microscópicos funcionalmente especializados na superfície foliar, que regulam o fluxo de gases entre as plantas e a atmosfera. Assim, os estômatos são o principal ponto de entrada para a assimilação de CO 2 e as perdas de água, controlando as trocas essenciais de CO 2 e H 2 O com o meio ambiente nas plantas terrestres. Os movimentos estomáticos ocorrem em resposta à ativação e inativação de proteínas de membrana presentes nas células-guarda. A relação entre a abertura estomática e a fotossíntese / transpiração é linear em uma ampla gama de condições ambientais. Assim, uma melhor compreensão da regulação estomática por meio de estímulos ambientais representa um passo importante para o desenvolvimento de plantas em que a capacidade de fotossíntese e WUE é otimizada, uma vez que a manutenção da fotossíntese, um dos principais eventos do metabolismo primário, e sua capacidade pode influenciar diretamente a produção de cultura agrícolas. Esta tese está amplamente focada no papel das proteínas envolvidas nos movimentos estomáticos em resposta a mudanças na disponibilidade de [CO 2 ] e na disponibilidade de água. Para este fim, duas proteínas estomáticas de Arabidopsis thaliana, nomeadamente slow-type anion channel (SLAC1) e o transportador ATP-binding cassette B14 (ABCB14) foram utilizadas para investigar a dualidade da eficiência entre o influxo de CO 2 e o efluxo de água pelos estômatos sob elevado [CO 2 ] e limitação de água. O SLAC1 é considerado uma proteína chave para o fechamento estomático em resposta à seca e [CO 2 ], enquanto o ABCB14 é o único transportador de influxo de malato das células-guarda e responde apenas ao aumento de CO 2 . O principal objetivo deste estudo é aumentar nossa compreensão da regulação estomática em resposta a um cenário realista de mudanças climáticas futuro, utilizando uma caracterização metabólica, fisiológica, anatômica e molecular de plantas mutantes com respostas estomaticas opostas. Primeiro, nossos resultados demonstraram que as plantas mutantes de slac1 aparentemente estão constantemente sob efeito de estresse, independentemente da restrição hídrica, pois as plantas mutantes slac1 ao sustentar maiores condutâncias estomáticas (g s ), exibem uma elegante reprogramação metabólica que é aparentemente crucial para a sobrevivência do crescimento sob moderada limitação hídrica. Aqui, hipotetizamos ainda que o ABCB14 pode desempenhar um papel importante, ao mesmo tempo em que permite uma modesta abertura estomática que pode ser essencial para a continuidade das trocas gasosas sob condições de elevada [CO 2 ]. Segundo, demonstrou-se que, apesar das reduções na abertura estomática, a ausência da proteína ABCB14 de célula guarda não compromete a atividade fotossintética geral e o crescimento e que uma regulação genética e metabólica ocorre em células-guarda provavelmente compensando, pelo menos parcialmente, a falta funcional de ABCB14. Os dados obtidos são discutidos no contexto do papel de cada transporte de células de guarda, tanto emcélulas-guarda e metabolismo fotossintético e, especificamente, em relação à sua função na regulação da abertura estomática.