Analysis of the role of the Arabidopsis thaliana ABC transporter AtMRP3 in heavy metal and herbicide detoxification

Abstract

In der Pflanze Arabidopsis thaliana wiesen verschiedene Resultate darauf hin, dass das ‚multidrug resistance-associated protein 3’ (AtMRP3) eine Rolle bei der Entgiftung von Xenobiotika spielt. In dieser Arbeit wurde beobachtet, dass Mutanten im AtMRP3-Gen reduziertes Wachstum unter Kontrollbedingungen aufwiesen, wenn diese mit dem Wildtyp verglichen wurden. atmrp3-Mutanten besassen auch eine erhöhte Sensitivität gegenüber Prosulfuron, während Cadmium-Exposition nicht zu einem klaren Wachstumsphänotyp führte. Die Mutanten transportierten Cadium jedoch langsamer von der Wurzel zum Spross. Demgegenüber wurde kein Unterschied zwischen Wildtyp und Mutanten in Cadmium-Aufnahmeexperimenten mit Mesophyllprotoplasten oder -vakuolen gefunden. Die subzelluläre Lokalisation mittels eines AtMRP3-GFP Fusionsproteins zeigte, dass AtMRP3 am Tonoplasten lokalisiert ist. Die Analyse der AtMRP3-Expression an Pflanzen, die mit einem GUS-Reportergen unter Kontrolle des AtMRP3 Promotors transformiert wurden, zeigte, dass AtMRP3 nach Cadmium- oder Prosulfuron-Stress induziert wird. Dieses Resultat stimm mit vorhergehenden RT-PCR und Chip-Datenanalysen überein. In Abwesenheit der Stressfaktoren wurde AtMRP3- Expression vornehmlich im vaskulären System und in Hydathoden gefunden. In der Gegenwart von Cadmium und Prosulfuron wurde starke GUS-Färbung in weiteren Geweben, vor allem dem Mesophyll, gefunden. Es wird eine Hypothese zur Rolle von AtMRP3 bei der Entgiftung von Cadmium oder Prosulfuron vorgeschlagen, nach der AtMRP3 eine Senke für Cadmium im Leitgewebe bildet, die Xylembeladung in der Wurzel und die Entladung des Xylems im Spross ermöglicht. Letztlich werden die toxischen Substanzen in sekretorischen Organen akkumuliert. Demgegenüber spielt Langstreckentransport bei Prosulfuron wohl eine eher untergeordnete Rolle. Demnach könnte AtMRP3 entweder der Transport von Prosulfuron oder entsprechender Metabolite in die Vakuole zur endgültigen Entgiftung sein.
In the plant Arabidopsis thaliana, several results indicate that the multidrug resistance- associated protein AtMRP3 plays a role in detoxification of xenobiotics. In the present study, we observed that knockout mutants in the AtMRP3 gene, when compared to wild-type plants, exhibited a reduced growth phenotype in control conditions as well as an higher sensitivity to the herbicide prosulfuron, whereas the differences in growth were not clear cut in case of cadmium exposure. The knockout mutant also exhibited a diminished root- to-shoot translocation of cadmium. No difference between wild-type and mutants was detected in cadmium uptake experiments using mesophyll protoplasts or mesophyll vacuoles. Subcellular localization studies using an AtMRP3-GFP fusion protein, revealed that AtMRP3 is targeted to the tonoplast. The investigation of AtMRP3 expression through the analysis of plants transformed with a GUS reporter gene under the control of the AtMRP3 promoter showed that AtMRP3 is upregulated when submitted cadmium or prosulfuron stress. This result is in line with previous RT-PCR and microcDNA chip analysis. In the absence of the stress factors, AtMRP3 is mainly associated with the vascular system and the hydatodes. Interestingly, in the presence of cadmium or prosulfuron, strong GUS staining could be observed also in other tissues, mainly in the mesophyll. We propose an hypothesis of the role of AtMRP3 in cadmium and prosulfuron detoxification by postulating that it forms a sink for cadmium in the vascular bundle and facilitates xylem loading at the root level, xylem unloading at the shoot level and accumulation in the secretory organs of these toxic compounds. In the case of prosulfuron, long distance transport probably plays a minor role and hence the role of AtMRP3 might be to efficiently transport prosulfuron and/or the corresponding metabolites into the vacuole for final detoxification.