Ascorbate Metabolism in Rice (<em>Oryza sativa</em> L.) and its Implications for Tolerance against Zinc Deficiency

Abstract

Rice is one of the most important staple crops worldwide and a growing world population will lead to an increasing demand for food in the upcoming years. Severe yield losses are threatening food security, caused by abiotic stresses such as zinc deficiency, a widespread micronutrient disorder affecting many soils worldwide. Zn deficiency can cause symptoms of oxidative stress in plants and increased ascorbate levels were suggested to enhance tolerance to zinc deficiency in rice. Ascorbate is an efficient antioxidant in plants and part of the defense system against oxidative stress. In this context, the ascorbate metabolism was investigated on a transcriptional and metabolomic level in two rice genotypes contrasting in field tolerance to zinc deficiency, RIL46 (tolerant) and IR74 (intolerant). The ability to maintain a higher ascorbate level caused by higher substrate availability and increased expression of some genes of the biosynthesis pathway was related to tolerance to zinc deficiency in RIL46. In contrast, recycling or catabolism of oxidized ascorbate was not a limiting factor under zinc deficiency in both genotypes. The process of oxidative stress formation was further investigated in different rice genotypes. One pair consisted of the above mentioned genotypes RIL46 and IR74 and another pair was represented by a TOS17 mutant line with a 20-30 % lower ascorbate level and its wild-type Nipponbare. Ascorbate protected plants efficiently from redox imbalances caused by zinc deficiency in shoots and roots. Moreover, visualization of hydrogen peroxide with different staining methods revealed that oxidative stress occurs even before the emergence of visible leaf symptoms. Additionally, T-DNA mutant lines with different ascorbate levels due to a knock-out of genes involved in the predominant D-mannose/L-galactose biosynthetic pathway were analyzed. A moderate decrease of ascorbate levels already caused increased sensitivity against abiotic stresses such as zinc deficiency and ozone stress, but not against iron toxicity. Plants with very low ascorbate levels showed severe growth defects and stress symptoms even under optimal conditions. Different ascorbate levels affected photosynthetic parameters, growth, developmental processes and yield parameters. Moreover, a knock-out in a gene taking part in a putative alternative biosynthetic pathway proceeding via myo-inositol had no impact on the ascorbate level. Thus it was suggested that the D-mannose/L-galactose biosynthetic pathway is the predominant one and that the alternative myo-inositol pathway presumably does not contribute to ascorbate biosynthesis in rice. In conclusion, ascorbate served as an efficient tolerance factor against abiotic stresses and enhanced plant fitness even under non-stressed conditions.

<strong>Der Ascorbat Metabolismus in Reis (<em>Oryza sativa </em>L.) und seine Auswirkungen auf die Toleranz gegenüber Zinkmangel</strong><br /> Reis gehört zu den weltweit wichtigsten Grundnahrungsmitteln und aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung wird der Bedarf an Nahrungsmitteln in den nächsten Jahren weiter steigen. Ertragsverluste können durch abiotische Stresse wie Zinkmangel verursacht werden und bedrohen die Ernährungssicherung. Zinkmangel ist ein in vielen Böden weltweit vorhandenes Problem und kann oxidativen Stress in Pflanzen auslösen. In diesem Zusammenhang wurden erhöhte Ascorbatkonzentrationen in Reis in Verbindung mit verbesserter Toleranz gegenüber Zinkmangel gebracht. Ascorbat ist ein effektives Antioxidans in Pflanzen und Teil des Abwehrsystems gegen oxidativen Stress. In diesem Kontext wurde der Ascorbat Metabolismus auf transkriptorischer und metabolischer Ebene in zwei Reis Genotypen untersucht, die unterschiedliche Toleranz gegenüber Zinkmangel zeigten, RIL 46 (tolerant) und IR74 (intolerant). Ein höherer Ascorbatgehalt, verursacht durch höhere Substrat Verfügbarkeit und stärkere Expression von Biosynthese Genen, führte zu Toleranz gegenüber Zinkmangel in RIL46. Im Gegensatz dazu waren die Regeneration und der Abbau von oxidiertem Ascorbat unter Zinkmangel in beiden Genotypen nicht eingeschränkt. Die Entstehung von oxidativem Stress wurde in verschiedenen Genotypen näher untersucht. Ein Paar bestand aus RIL46 und IR74, während ein weiteres Paar aus einer TOS17 Mutationslinie mit einem 20-30 % niedrigerem Ascorbatgehalt und ihrem Wildtyp Nipponbare bestand. Ascorbat schützte die Pflanzen erfolgreich vor einem durch Zinkmangel verursachten Redox Ungleichgewicht in Spross und Wurzeln. Durch die Visualisierung von Wasserstoffperoxid durch verschiedene Färbemethoden konnte gezeigt werden, dass oxidativer Stress schon vor sichtbaren Blattsymptomen auftrat. Zusätzlich wurden T-DNA Insertionslinien mit unterschiedlichem Ascorbatgehalt analysiert, die durch einen Knock-Out von verschiedenen Genen des vorherrschenden D-Mannose/L-Galactose Biosyntheseweges verursacht wurden. Ein nur mäßig verringerter Ascorbatgehalt verursachte erhöhte Sensitivität gegenüber abiotischen Stressen wie Zinkmangel und Ozonstress, jedoch nicht gegenüber Eisentoxizität. Pflanzen mit einem sehr niedrigen Ascorbatgehalt zeigten ein gestörtes Wachstum und sogar unter optimalen Bedingungen Stresssymptome. Verschiedene Ascorbatkonzentrationen beeinflussten die Photosynthese, das Wachstum, Entwicklungsprozesse und Erträge. Eine Mutationslinie für ein Gen des alternativen Biosyntheseweges via Myo-Inositol zeigte keine Veränderung im Ascorbatgehalt, woraus geschlossen wurde, dass dieser Weg vermutlich nicht zur Biosynthese beiträgt. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass Ascorbat einen effektiven Toleranzfaktor gegen abiotische Stresse darstellt und die Pflanzenfitness auch unter nicht-gestressten Bedingungen verbessern kann.