Lysine biosynthesis at the heart of plant stress resilience

Abstract

Lysine constitutes a critical hub between amino-acid metabolism, the mitochondrial electron transport chain and the tricarboxylic acid (TCA) cycle, with cellular levels precisely balanced by coordinated biosynthesis and the branched-catabolism pathway. Conventional lysine biofortification often leads to pleiotropic effects impairing development and fitness, uncovering the intricate and multifaceted roles of lysine plant physiology. New evidence shows that the loss of L,L-diaminopimelate aminotransferase (DAPAT; EC 2.1.6.83) in Arabidopsis thaliana is embryo-lethal and the knockdown dapat mutants display stunted growth, extensive metabolic reprogramming, salicylic acid accumulation and altered stress responses, that highlights lysine’s influence on germination, growth, shoot architecture, flowering time, epigenetic landscapes and photoperiod-dependent survival. Markedly, DAPAT mutation distinctive primes a distinctive stress-like metabolic signature across extended darkness, variable CO2 and temperature regimes by massive carbon–nitrogen metabolism adjust. Integrating these findings, we position DAPAT as a powerful model for dissecting stress-adaptation pathways and guiding the development of climate-resilient crops to address climate challenges. Keywords: Lysine metabolism; Biofortification; L,L-diaminopimelate aminotransferase; Flowering time; CO; Heat stress

Lisina constitui um nodo central entre o metabolismo de aminoácidos, a cadeia de transporte de elétrons mitocondrial e o ciclo do ácido tricarboxílico (TCA), com seus níveis celulares precisamente ajustados pela coordenação da biossíntese e pela via catabólica ramificada. Abordagens convencionais de biofortificação de lisina frequentemente resultam em efeitos pleiotrópicos que prejudicam o desenvolvimento e vigor, revelando os papéis intrincados e multifacetados da lisina na fisiologia vegetal. Evidências recentes mostram que o impacto na enzima L,L-diaminopimelato aminotransferase (DAPAT; EC 2.6.1.83) em Arabidopsis thaliana é letal no estágio embrionário, e que os mutantes knockdown dapat apresentam crescimento atrofiado, extensa reprogramação metabólica, acúmulo de ácido salicílico e respostas ao estresse alteradas, destacando a influência da lisina na germinação, no crescimento, na arquitetura de parte aérea, no tempo de floração, nos padrões epigenéticos e na sobrevivência dependente de fotoperíodo. Notavelmente, a mutação em DAPAT gera uma assinatura metabólica semelhante à de estresse em condições de escuridão prolongada, níveis variáveis de CO2 e regimes de temperatura diversos, por meio de ajustes maciços no metabolismo carbono–nitrogênio. Integrando esses achados, posicionamos DAPAT como um modelo poderoso para dissecar vias de adaptação ao estresse e orientar o desenvolvimento de culturas resilientes frente aos desafios climáticos. Palavras-chave: Metabolismo de lisina; Biofortificação; L,L-diaminopimelato aminotransferase; Tempo de floração; CO; Estresse térmico