Medicago truncatula Natural Resistance-Associated Macrophage Protein1 Is Required for Iron Uptake by Rhizobia-Infected Nodule Cells  

Abstract

Iron is critical for symbiotic nitrogen fixation (SNF) as a key component of multiple ferroproteins involved in this biological process. In the model legume Medicago truncatula, iron is delivered by the vasculature to the infection/maturation zone (zone II) of the nodule, where it is released to the apoplast. From there, plasma membrane iron transporters move it into rhizobia-containing cells, where iron is used as the cofactor of multiple plant and rhizobial proteins (e.g. plant leghemoglobin and bacterial nitrogenase). MtNramp1 (Medtr3g088460) is the M. truncatula Natural Resistance-Associated Macrophage Protein family member, with the highest expression levels in roots and nodules. Immunolocalization studies indicate that MtNramp1 is mainly targeted to the plasma membrane. A loss-of-function nramp1 mutant exhibited reduced growth compared with the wild type under symbiotic conditions, but not when fertilized with mineral nitrogen. Nitrogenase activity was low in the mutant, whereas exogenous iron and expression of wild-type MtNramp1 in mutant nodules increased nitrogen fixation to normal levels. These data are consistent with a model in which MtNramp1 is the main transporter responsible for apoplastic iron uptake by rhizobia-infected cells in zone II.

Medicago truncatula copper transporter 1 (MtCOPT1) delivers copper for symbiotic nitrogen fixation

“…From there, a number of metal transporters introduce them in the cytosol of rhizobia‐infected cells. In the case of Fe, this is mediated by MtNramp1 (Tejada‐Jiménez et al ., ). In the case of Cu, this could be mediated by a Yellow Stripe‐Like (YSL) transporter if the substrate is nicotianamine‐bound metal (Schaaf et al ., ; Conte & Walker, ; Zheng et al ., ), or by a copper transporter (COPT) protein if it is Cu + (Sancenón et al ., ; Pilon, ).…”

Papel de COPT1, COPT2, MTP2 y ZIP6 en el transporte y la homeostasis de metales en Medicago truncatula

“…De este modo, estudiar cómo los metales de transición se transfieren desde la planta hospedadora a los rizobios fijadores de nitrógeno en el interior de las células del nódulo es relevante, especialmente en el contexto actual de introducir la capacidad de fijar nitrógeno en plantas noleguminosas (Vicente & Dean, 2017). En este sentido, un importante esfuerzo se ha realizado para entender cómo el hierro llega al nódulo y es liberado en el apoplasto de la zona II del nódulo (Rodríguez-Haas et al, 2013;Tejada-Jiménez et al, 2015), en un proceso que muy probablemente involucre a citrato (Takanashi et al, 2013), en identificar a los transportadores de hierro involucrados en su transporte a través de las distintas membranas para llegar al simbiosoma (Hakoyama et al, 2012;Tejada-Jiménez et al, 2015), y en la descripción de los mecanismos requeridos para tamponar este hierro (Kaiser et al, 2003;Zielazinski et al, 2013). En contraste a esto, se conoce menos en lo concerniente al transporte de cobre y zinc en esta simbiosis, aspectos que han sido abordados en la presente Tesis Doctoral.…”

“…Este paso puede estar mediado por transportadores de la familia YSL (Zheng et al, 2012), si el cobre aparece unido a NA, o por transportadores COPT (Sancenón et al, 2003), si el cobre se encuentra en forma iónica. Dado que se ha descrito que el hierro se incorpora a las células infectadas desde el apoplasto en forma Fe 2+ (Tejada-Jiménez et al, 2015), sin estar asociado a NA, cabría esperar que el cobre exhibiera un comportamiento similar, introduciendo Cu + y no Cu-NA al citoplasma las células infectadas. De este modo, cabría esperar la existencia de transportadores de la familia COPT implicados en la homeostasis de cobre en los nódulos.…”

“…Asimismo, cuando se suplementó con una mayor concentración de hierro la solución de riego, a una concentración capaz de complementar al mutante en el transportador de hierro nramp1-1 (Tejada-Jiménez et al, 2015), no se revirtió el fenotipo de la planta silenciada, ni se apreció ningún cambio en la distribución de hierro en la planta usando el método de Perl-DAB (Figura 38) (Roschzttardtz et al, 2009). Por el contrario, la distribución de zinc en los nódulos de plantas silenciadas difería notablemente de su control (Figura 39A-B), según se usando el marcador Zinpyr-1 (Sinclair et al, 2007).…”

“…Por el contrario, MtZIP6 no jugaría ningún papel en la distribución de hierro en nódulos. No se observa ningún cambio en la concentración de hierro o en su distribución en plantas silenciadas en MtZIP6 comparadas con sus controles, al contrario de lo que pasa en los mutantes mtnramp1-1 y ljmate1, ambos afectados en la homeostasis de hierro (Takanashi et al, 2013;Tejada-Jiménez et al, 2015). De este modo, la capacidad de MtZIP6 de introducir hierro en el citosol de levaduras podría ser el resultado de sobreexpresar un transportador con una baja afinidad por hierro.…”