Polyamine signaling pathway during environmental stress: Metabolomic approaches to elucidate spermine down-stream targets

Abstract

Environmental stress is increasingly wearing down crop productivity. Nowadays, one of the main aims of plant research is to elucidate tolerance mechanisms to diverse stresses, in order to provide solutions by generating stress-tolerant plants. In regard with this matter, polyamine signaling pathway is of crucial importance. The major polyamines in plants (putrescine, spermidine and spermine) tend to accumulate in response to stress and are associated with a protective role. The trend of their accumulation is related to the stress the plant is sensing; in fact, polyamine biosynthetic pathway is activated at different levels depending on the stimulus, which gives a selective role to these molecules. Spermine, one of the higher polyamines, is not essential for plant growth; however, it is presently known that this molecule plays diverse protective roles under several stress factors and triggers signaling cascades implicated in plant defense. Therefore, research on spermine down-stream targets has become necessary towards the elucidation of plant tolerance responses. By the use of model plant Arabidopsis thaliana this study demonstrated the implication of this polycation on enhancement of anti-oxidative capacity by signaling connections to central hub metabolites for sugar, lipid and amino acid metabolism such as pyruvate or myo-Inositol, as well as its involvement on root morphology.

El estrés medioambiental está afectando de forma paulatina la productividad de los cultivos. En la búsqueda de soluciones, uno de los principales objetivos de la investigación en fisiología de plantas, es dilucidar los mecanismos de tolerancia que se presentan ante diversos estreses, con la finalidad de generar plantas con fenotipos resistentes. En referencia a este asunto, las poliaminas y sus rutas señalizadoras son de importancia crucial. Las más abundantes en plantas (putrescina, espermidina y espermina) tienden a acumularse en respuesta al estrés por lo cual se les asocia a un rol protector, sin embargo, las tendencias de acumulación dependen del tipo de estrés que la planta es capaz de percibir. De hecho, su ruta biosintética se activa a diferentes niveles dependiendo del estímulo, lo cual les confiere un carácter selectivo. La Espermina (una de las poliaminas superiores) no es esencial para el crecimiento de la planta, no obstante, actualmente se sabe que esta molécula ejerce diversos roles protectores en una gran variedad de condiciones y además activa cascadas señalizadoras implicadas en la respuesta defensiva de la planta. En consecuencia, para dilucidar los mecanismos de tolerancia, se ha hecho necesario profundizar en las dianas de señalización por parte de la espermina. Empleando como modelo experimental Arabidopsis thaliana, el presente estudio ha demostrado la implicación de este policatión en el aumento de la capacidad anti-oxidativa a través de conexiones con metabolitos centrales en el metabolismo de azucares, lípidos y aminoácidos como es el caso del piruvato y el mio-Inositol, así como también, la implicación de esta poliamina en la morfología y ramificación de las raíces, reforzando la noción de implicación esencial por parte de esta poliamina, en la fisiología del estrés en plantas.