Abstract Uptake and translocation of cationic nutrients play essential roles in physiological processes including plant growth, nutrition, signal transduction, and development. Approximately 5% of the Arabidopsis genome appears to encode membrane transport proteins. These proteins are classified in 46 unique families containing approximately 880 members. In addition, several hundred putative transporters have not yet been assigned to families. In this paper, we have analyzed the phylogenetic relationships of over 150 cation transport proteins. This analysis has focused on cation transporter gene families for which initial characterizations have been achieved for individual members, including potassium transporters and channels, sodium transporters, calcium antiporters, cyclic nucleotide-gated channels, cation diffusion facilitator proteins, natural resistance-associated macrophage proteins (NRAMP), and Zn-regulated transporter Fe-regulated transporter-like proteins. Phylogenetic trees of each family define the evolutionary relationships of the members to each other. These families contain numerous members, indicating diverse functions in vivo. Closely related isoforms and separate subfamilies exist within many of these gene families, indicating possible redundancies and specialized functions. To facilitate their further study, the PlantsT database (http://plantst.sdsc.edu) has been created that includes alignments of the analyzed cation transporters and their chromosomal locations.

Metal cation homeostasis is essential for plant nutrition and resistance to toxic heavy metals. Many plant metal transporters remain to be identified at the molecular level. In the present study, we have isolated AtNramp cDNAs from Arabidopsis and show that these genes complement the phenotype of a metal uptake deficient yeast strain, smf1 . AtNramp s show homology to the Nramp gene family in bacteria, yeast, plants, and animals. Expression of AtNramp cDNAs increases Cd 2+ sensitivity and Cd 2+ accumulation in yeast. Furthermore, AtNramp3 and AtNramp4 complement an iron uptake mutant in yeast. This suggests possible roles in iron transport in plants and reveals heterogeneity in the functional properties of Nramp transporters. In Arabidopsis , AtNramps are expressed in both roots and aerial parts under metal replete conditions. Interestingly, AtNramp3 and AtNramp4 are induced by iron starvation. Disruption of the AtNramp3 gene leads to slightly enhanced cadmium resistance of root growth. Furthermore, overexpression of AtNramp3 results in cadmium hypersensitivity of Arabidopsis root growth and increased accumulation of Fe, on Cd 2+ treatment. Our results show that Nramp genes in plants encode metal transporters and that AtNramps transport both the metal nutrient Fe and the toxic metal cadmium.

Iron (Fe) is necessary for all living cells, but its bioavailability is often limited. Fe deficiency limits agriculture in many areas and affects over a billion human beings worldwide. In mammals, NRAMP2/DMT1/DCT1 was identified as a major pathway for Fe acquisition and recycling. In plants, AtNRAMP3 and AtNRAMP4 are induced under Fe deficiency. The similitude of AtNRAMP3 and AtNRAMP4 expression patterns and their common targeting to the vacuole, together with the lack of obvious phenotype in nramp3-1 and nramp4-1 single knockout mutants, suggested a functional redundancy. Indeed, the germination of nramp3 nramp4 double mutants is arrested under low Fe nutrition and fully rescued by high Fe supply. Mutant seeds have wild type Fe content, but fail to retrieve Fe from the vacuolar globoids. Our work thus identifies for the first time the vacuole as an essential compartment for Fe storage in seeds. Our data indicate that mobilization of vacuolar Fe stores by AtNRAMP3 and AtNRAMP4 is crucial to support Arabidopsis early development until efficient systems for Fe acquisition from the soil take over.

Metal homeostasis is critical for the survival of living organisms, and metal transporters play central roles in maintaining metal homeostasis in the living cells. We have investigated the function of a metal transporter of the NRAMP family, AtNRAMP3, in Arabidopsis thaliana. A previous study showed that AtNRAMP3 expression is upregulated by iron (Fe) starvation and that AtNRAMP3 protein can transport Fe. In the present study, we used AtNRAMP3 promoter beta-glucoronidase (GUS) fusions to show that AtNRAMP3 is expressed in the vascular bundles of roots, stems, and leaves under Fe-sufficient conditions. This suggests a function in long-distance metal transport within the plant. Under Fe-starvation conditions, the GUS activity driven by the AtNRAMP3 promoter is upregulated without any change in the expression pattern. We analyze the impact of AtNRAMP3 disruption and overexpression on metal accumulation in plants. Under Fe-sufficient conditions, AtNRAMP3 overexpression or disruption does not lead to any change in the plant metal content. Upon Fe starvation, AtNRAMP3 disruption leads to increased accumulation of manganese (Mn) and zinc (Zn) in the roots, whereas AtNRAMP3 overexpression downregulates Mn accumulation. In addition, overexpression of AtNRAMP3 downregulates the expression of the primary Fe uptake transporter IRT1 and of the root ferric chelate reductase FRO2. Expression of AtNRAMP3::GFP fusion protein in onion cells or Arabidopsis protoplasts shows that AtNRAMP3 protein localizes to the vacuolar membrane. To account for the results presented, we propose that AtNRAMP3 influences metal accumulation and IRT1 and FRO2 gene expression by mobilizing vacuolar metal pools to the cytosol.

Manganese (Mn) is an essential element, acting as cofactor in numerous enzymes. In particular, a Mn cluster is indispensable for the function of the oxygen-evolving complex of photosystem II. Metal transporters of the Natural Resistance-Associated Macrophage Protein (NRAMP) family have the ability to transport both iron and Mn. AtNRAMP3 and AtNRAMP4 are required for iron mobilization in germinating seeds. The results reported here show that, in adult Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) plants, AtNRAMP3 and AtNRAMP4 have an important role in Mn homeostasis. Vacuolar Mn accumulation in mesophyll cells of rosette leaves of adult nramp3nramp4 double mutant plants was dramatically increased when compared with the wild type. This suggests that a considerable proportion of the cellular Mn pool passes through the vacuole and is retrieved in an AtNRAMP3/AtNRAMP4-dependent manner. The impaired Mn release from mesophyll vacuoles of nramp3nramp4 double mutant plants is associated with reduced growth under Mn deficiency. However, leaf AtNRAMP3 and AtNRAMP4 protein levels are unaffected by Mn supply. Under Mn deficiency, nramp3nramp4 plants contain less functional photosystem II than the wild type. These data are consistent with a shortage of Mn to produce functional photosystem II, whereas mitochondrial Mn-dependent superoxide dismutase activity is maintained under Mn deficiency in both genotypes. The results presented here suggest an important role for AtNRAMP3/AtNRAMP4-dependent Mn transit through the vacuole prior to the import into chloroplasts of mesophyll cells.

Cadmium is a non-essential trace metal, which is highly toxic to nearly all living organisms. Soil pollution causes Cd contamination of crops, thereby rendering plant products responsible for the chronic low level Cd over-exposure of numerous populations in the world. For this reason, Cd accumulation in plants has been studied for about five decades now. The research first focused on the relationships between plant and soil Cd levels, on the factors of the metal availability in soil, as well as the root uptake processes. Cd distribution in plant organs was also investigated, first using a macroscopic and eco-physiological approach, and then with the help of molecular biology tools, at both tissue and cell scales. Cadmium has no biological function and hijacks the transport pathways of micronutrients such as Fe, Mn, or Zn, in order to enter the plant through the roots and be distributed to all its organs. The study of the genes that control the influx and efflux of the Cd2+ ion in the cytosol, vacuoles, and vascular tissues has significantly contributed to the understanding of the metal root uptake and of its transfer to the aerial parts. However, the mechanisms responsible for its distribution to the different above-ground tissues and specially to fruits and seeds have yet to be clarified. This review summarizes current knowledge in order to present a detailed overview of Cd transport and storage, from the rhizosphere to the different organs and tissues of the plant.

Abstract Manganese is an essential metal for plant growth. The most important Mn-containing enzyme is the Mn 4 CaO 5 cluster that catalyses water oxidation in Photosystem II. Mn deficiency primarily affects photosynthesis, while Mn excess is generally toxic. Mn excess and deficiency were studied in the liverwort Marchantia polymorpha , an emerging model ideally suited for analysis of metal stress since it accumulates rapidly toxic substances due to the absence of well-developed vascular and radicular systems and a reduced cuticle. We established growth conditions for Mn excess and deficiency, performed analysis of metal content in thalli and isolated chloroplasts and determined metabolites. Metabolome analysis revealed a strong accumulation of N-methylalanine upon exposure to Mn excess and a different response of Marchantia to heavy metal stress than that known for higher plants. We investigated photosynthetic performance by chlorophyll fluorescence at room temperature and at 77K, P700 absorption and by studying the susceptibility of thalli to photoinhibition. In vivo super-resolution fluorescence microscopy was used to visualize changes in the organization of the thylakoid membrane under Mn excess and deficiency. Non-optimal Mn concentrations changed the ratio of photosystem I to photosystem II and altered the organisation of thylakoid membranes. Mn deficiency seems to favour cyclic electron flow around photosystem I protecting thereby photosystem II against photoinhibition.

Abstract miR408 and miR398 are two conserved microRNAs which expression is activated by the SPL7 transcription factor in response to copper starvation. We identified these two microRNAs families as upregulated in Arabidopsis thaliana and Solanum lycopersicum roots infected by root-knot nematodes. These endoparasites induce the dedifferentiation of a few root cells and the reprogramming of their gene expression to generate giant feeding cells. By combining functional approaches, we deciphered the signaling cascade involving these microRNAs, their regulator and their targets. MIR408 expression was located within nematode-induced feeding cells in which it co-localised with SPL7 expression and was regulated by copper. Moreover, infection assays with mir408 and spl7 KO mutants or lines expressing targets rendered resistant to cleavage by miR398 demonstrated the essential role of the SPL7/MIR408/MIR398 module in the formation of giant feeding cells. Our findings reveals how perturbation of plant copper homeostasis, via the SPL7/MIR408/MIR398 module, governs the formation of nematode-induced feeding cells.