Growth inhibition in an Arabidopsis L,L-diaminopimelate aminotransferase mutant is associated with both metabolic impairments and gibberellin deficiency

Abstract

Lysine metabolism has been studied for almost 40 years and is clearly involved in plant response to stresses; however, questions regarding the importance of lysine remain open. Here, we investigated the metabolic and physiological impacts of exogenous application of gibberellic acid (GA 3 ) on the development of a mutant with drastically reduced activity of the lysine biosynthesis enzyme L,L-DAPAT (L,L-diaminopimelate aminotransferase). The DAPAT mutation culminated in reduced growth by impacting carbon and nitrogen metabolism, likely associated with apparent putative stress, even under optimal growth conditions. In general, the deficiency in lysine synthesis resulted in a lower content of reducing sugars and starch, especially at the end of the night. Furthermore, a substantial increase in amino acid levels was observed in dapat mutant plants, indicating a metabolic adjustment and consequent imbalance in carbon and nitrogen metabolisms, possibly as- sociated with continued growth in plants deficient in lysine biosynthesis. Mutant plants exhibited a differential expression of CPS, KS, and GA3ox genes, involved in the biosyn- thesis of Gibberellins (GA). Notably, the DAPAT mutation did not eliminate the respon- siveness to exogenous GA application of this mutant, promoting partial recovery of the characteristic dwarf phenotype. Although GA 3 treatment does not seem to affect the met- abolic pattern of the mutant plants, it is possibly responsible for the C/N imbalance, evi- denced by the increased expression of the sugar-starvation marker gene DIN6. Taken together, the results obtained indicate that lysine metabolism is a key point in the balance and allocation of soluble and reserve carbohydrates, and highlight the importance of L,L- DAPAT in controlling growth, primary metabolism, and hormone regulation. Keywords: Amino acids. Lysine biosynthesis. L,L-diaminopimelate aminotransferase. Gibberellin. Metabolic reprogramming.O metabolismo de lisina tem sido estudado a quase 40 anos sendo claramente envolvido na resposta de plantas a estresses, entretanto, questionamentos relativos à importância da lisina permanecem ainda em aberto. Aqui, investigaram-se os impactos metabólicos e fisiológicos da aplicação exógena de ácido giberélico (GA 3 ) sobre o desenvolvimento do mutante com atividade drasticamente reduzida da enzima de biossíntese de lisina L,L- DAPAT (L,L-diaminopimelate aminotransferase). A mutação DAPAT culminou no cresci- mento reduzido ao impactar o metabolismo do carbono e nitrogênio, provavelmente as- sociado ao aparente estresse putativo, mesmo sob condições ótimas de crescimento. Em geral, a deficiência na síntese de lisina resultou em um menor teor de açúcares redutores e amido, especialmente ao final da noite. Além disso, um aumento substancial nos níveis de aminoácidos foi observado nas plantas mutantes dapat, indicando um ajuste metabó- lico e consequente desequilíbrio nos metabolismos de carbono e nitrogênio, possivel- mente associado a continuidade do crescimento nas plantas deficientes na biossíntese de lisina. Plantas mutantes exibiram uma expressão diferencial dos genes CPS, KS e GA3ox, envolvidos na biossíntese de Giberelinas (GA). Notavelmente, a mutação DAPAT não eliminou a capacidade de resposta a aplicação exógena de GA deste mutante, pro- movendo a recuperação parcial do fenótipo anão característico. Embora o tratamento com GA 3 não pareça afetar o padrão metabólico das plantas mutantes, possivelmente é responsável pelo desequilíbrio C/N, evidenciado pelo incremento da expressão do gene marcador de sugar-starvation DIN6. Em conjunto, os resultados obtidos indicam que o metabolismo de lisina é um ponto-chave no balanço e alocação de carboidratos solúveis e de reserva, além de evidenciar a importância de L,L-DAPAT no controle do crescimento, metabolismo primário e da regulação hormonal.Palavras-chave: Aminoácidos. Biossíntese de lisina. L,L-diaminopimelate aminotransfe- rase. Giberelina. Reprogramação metabólica.