Physiological and metabolic analysis of Arabidopsis thaliana with low expression of 2-oxoglutarate dehydrogenase subunits

Abstract

One of the roles of the tricarboxylic acid (TCA) cycle in plants is the production of 2-oxoglutarate (2-OG) required for nitrogen assimilation. In this cycle, isocitrate dehydrogenase and 2-oxoglutarate dehydrogenase (2- OGDH) is involved in synthesis and consumption of 2-OG, respectively. 2- OGDH complex is composed of three subunits responsible for decarboxylation of 2-OG to succinyl CoA with the consequent reduction of NAD + . Notably the 2-OGDH plays an essential role in overall metabolic activity in plants, being limited for respiration and playing important role in the carbon-nitrogen interactions. In Arabidopsis thaliana, E 1 and E 2 subunits are encoded each by two genes. Here, I used two T-DNA insertion mutant lines in each gene encoding E 1 and E 2 subunits of 2-OGDH. For both subunits of 2-OGDH mutant plants exhibited substantial reduction in respiration. The photosynthesis was also altered in plants with low expression of E 1 subunit. Several changes were observed for primary metabolites, with decreased levels of the main nitrogen containing metabolites and increase in metabolites related to carbon metabolism, culminated in alterations of plant growth and seed production. Although both E 1 and E 2 subunits each one are encoded by two genes, they display partial redundant roles in metabolism and plant growth.

Uma função do ciclo dos ácidos tricarboxilicos (TCA) em plantas é a produção de 2-oxoglutarato (2-OG) necessário para a assimilação do nitrogênio. No ciclo TCA, o isocitrato desidrogenase e a 2-oxoglutarato desidrogenase (2-OGDH) estão envolvidos na síntese e consumo do 2-OG respectivamente. O complexo 2-OGDH é formado por três subunidades responsáveis pela descarboxilação do 2-OG a succinil CoA com a consequente redução do NAD + . Notavelmente a 2-OGDH tem uma função essencial na atividade metabólica geral em plantas, limitante na respiração e importante na interação carbono-nitrogênio. Em Arabidopsis thaliana, as subunidades E 1 e E 2 são codificadas cada uma por dois genes. Neste trabalho foram utilizados duas linhagens mutantes caracterizadas pela inserção do T-DNA para cada gene que codifica a subunidade E 1 e E 2 da 2-OGDH. As linhagens mutantes para as duas subunidades da 2-OGDH apresentaram uma diminuição substancial na respiração. A fotossíntese também foi alterada nas plantas com baixa expressão da subunidade E 1 . Muitas mudanças foram observadas para os metabólitos primários, diminuição dos níveis dos principais metabólitos que contem nitrogênio e aumento dos metabólitos relacionados com o metabolismo do carbono, culminando em alterações no crescimento vegetal e na produção de sementes. Embora as duas subunidades E 1 e E 2 são codificadas cada uma por dois genes, estes genes apresentam funções parcialmente redundantes no metabolismo e crescimento vegetal.