Kvävebrist (N) påverkar först växternas kväveupptag och assimileringssystem. Nitrat, den huvudsakliga källan till växt-N, absorberas och transporteras av nitrattransportörer. Nitrat kan metaboliseras direkt i rötterna efter absorption och lagras i vakuolen, men det mesta nitratet transporteras till luftväxtdelar. N- och kol(C)-metabolism är nära relaterade i växter. N-brist påverkar inte bara N-upptag och assimilering utan även C-assimilering, speciellt fotosyntes. Proteinnedbrytning för N-återvinning hjälper växter att anpassa sig till N-brist.

Autofagi är en av de viktigaste nedbrytnings- och återvinningsvägarna för proteiner och cytoplasmatiska organeller, och den spelar en avgörande roll vid återvinning av näringsämnen och remobilisering under näringssvält. Under N-begränsade förhållanden kan Rubisco överföras till vakuolen och brytas ned genom en autofagi-relaterad gen (ATG)-beroende autofagisk process. Även om funktionen av autofagi i intern N-återvinning har studerats omfattande, återstår att undersöka hur autofagi påverkar N-upptag och assimilering och C-assimileringsprocesser.

Nyligen rapporterade forskare från Hunan Agricultural University och Zhejiang Agricultural University att den autofagiska vägen bidrar till låg kvävetolerans (LN) genom att optimera kväveupptag och användning i tomater. Först fann författarna att tomatautofagi-mutanter (atg6, atg10 och atg18a) är överkänsliga för LN-stress.

Författarna använde sedan ATG6 knockout-mutanter (atg6) och överuttrycksväxter (ATG6-OE) för att ytterligare analysera de biologiska funktionerna av autofagi under LN-förhållanden och fann att ATG6-beroende autofagi var avgörande för svaret av tomat på N-begränsade förhållanden. Jämfört med WT-växter hade atg6-mutanterna lägre biomassa- och klorofyllinnehåll och avsevärt reducerad autofagosombildning efter LN-stressbehandling, medan ATG6-OE-växterna hade högre biomassa- och klorofyllinnehåll och större induktion av autofagosombildning.

Under LN-stress var skott- och rot-N-halterna i atg6- och ATG6-OE-växter signifikant lägre respektive högre än i WT-växter. LN-inducerat uttryck av nitrattransportörgenerna NRT1.1 och NRT2.1 var fullständigt äventyrat i atg6, medan deras uttryck var högre i ATG6-OE-växter än i WT-växter. Efter LN-stressbehandling minskade och ökade aktiviteterna av nitratreduktas och nitritreduktas i bladen av ATG6 knockout-mutanter och ATG6-OE-växter i olika grad jämfört med WT-växter.

Dessa data indikerade att autofagi är involverad i N-transport och assimilering under LN-förhållanden. Ytterligare analys visade att ATG6-beroende autofagi främjar assimileringen av både N och C och bidrar därefter till växttillväxt under LN-stress. Ympningsexperiment där ATG6 knockout-mutanter ympades med WT-växter som scions eller grundstammar antydde vidare att ATG6-beroende autofagi systematiskt ökar N-metabolism, fotosyntes och växttillväxt under LN-förhållanden. Detta arbete har publicerats i tidskriften Horticulture Research .

"Våra resultat avslöjar nya funktioner för autofagi, det vill säga att reglera N-upptag och användning samt C-assimilering, förutom näringsåtervinning och remobilisering i tomat under LN-stress," sa författarna. "Avsiktligt förbättra autofagi kan vara en fördelaktig strategi för att förbättra grödans tillväxt och skörd under kvävebristförhållanden."