Urea uptake and assimilation by the epiphytic tank bromeliad Vriesea gigantea

Apesar do ambiente epifítico ser caracterizado como bastante desfavorável para o desenvolvimento de vegetais devido à falta intermitente de água e escassez de nutrientes, uma grande diversidade de bromélias o ocupam com sucesso. Uma série de características adaptativas, tanto morfológicas, anatômicas e fisiológicas, está presente nessas plantas e as capacitam a utilizar com grande eficiência os recursos disponíveis de maneira escassa e temporária. O enfoque deste trabalho foi direcionado à compreensão das estratégias adotadas pela bromélia epífita com tanque Vriesea gigantea para a utilização da ureia, uma fonte de nitrogênio não usual para a maioria das plantas terrestres. Em decorrência da frequente associação com anfíbios em ambiente natural, a ureia é um recurso disponibilizado ocasionalmente e durante um curto período na água do tanque. Foram isolados 2 cDNAs completos de aquaporinas potencialmente envolvidos no transporte de ureia: VgPIP1,5 e VgTIP2, que codificam proteínas de membranas plasmática e de tonoplasto, respectivamente. Ambos os genes tiveram expressão mais acentuada nas bases foliares e foram pouco afetados pelo regime de luz. Além disso, a expressão desses genes foi estimulada na presença de ureia, o que não foi observado para em relação às fontes inorgânicas amônio e nitrato. A assimilação de ureia pareceu ser, em grande parte, dependente de hidrólise prévia em NH4+ e CO2, reação essa catalisada pela urease. Foi demonstrado que ambos os produtos dessa reação são incorporados rapidamente, formando aminoácidos (principalmente via GDH, GS/GOGAT e subseqüentes transaminases) e esqueletos carbônicos Infelizmente, a incorporação direta de ureia via reação inversa da arginase não foi confirmada, embora esse resultado possa estar relacionado a limitações metodológicas para a análise de arginina. Ainda assim, evidências sugerem que, se não pela arginase, outras vias alternativas de assimilação direta de ureia possam estar envolvidas. Além da sua importância da urease na hidrólise citossólica de ureia, foi demonstrada, de forma inédita em plantas, a presença dessa enzima nas frações de membranas e parede celular de V. gigantea. É muito provável que, além da capacidade de secreção da urease para a região do tanque, a presença dessa enzima em regiões próximas à superfície celular torne mais rápido e eficiente o processo de assimilação de ureia pelas células. Embora seja caracterizada como um recurso de disponibilidade ocasional e de curta duração e por ser alvo de intensa competição interespecífica, a ureia ainda assim é a fonte de N preferencial para Vriesea gigantea. É provável que um dos motivos que levou essa espécie a utilizar preferencialmente a ureia seja a vantagem de se obter, simultaneamente, tanto carbono quanto nitrogênio, ambos presentes em quantidades limitantes no seu habitat natural.Although the growth conditions in epiphytic habitats are unfavourable for plant growth due to water and nutrient limitations, a great diversity of bromeliads successfully occupy this environment. These plants have evolved a variety of morphological, anatomical and physiological adaptations allowing them a highly efficient use of available resources. The main objective of the present work was to elucidate the strategies of the epiphytic tank bromeliad Vriesea gigantea to utilize urea, a nitrogen source generally considered to be uncommon for most terrestrial plants. Although in natural environments urea is frequently excreted by amphibians that are associated with the tank of these plants, the availability of this nitrogen source is nevertheless short-lived and unpredictable. Two complete cDNA sequences encoding plasma membrane and tonoplast aquaporin proteins, which are potentially involved in urea transport, were isolated from leaf tissues of Vriesea gigantea: VgPIP1,5 and VgTIP2, respectively. Both genes were mainly expressed in the leaf bases and were not affected by light conditions. Moreover, the expression of these aquaporins was stimulated in the presence of urea in the culture medium, while no effect was observed with ammonium and nitrate as nitrogen source. Urea assimilation is thought to be strongly dependent on precedent hydrolysis of urea to NH4+ and CO2 mediated by urease. Both products of this reaction were quickly assimilated and incorporated into amino acids (mainly via GDH, GS/GOGAT and subsequent transaminases) and carbon skeletons. On the contrary, the direct incorporation of urea via a reverse reaction of arginase could not be confirmed due to the methodological limitation of analyzing double-labelled (13C-,15N-) arginine. However, there is strong evidence suggesting that arginase or other alternative assimilation pathways may be involved in urea assimilation. Despite the importance of urease in the cytosolic hydrolysis of urea, the present work demonstrates for the first time that this enzyme is present in both, membrane and cell wall fractions of V. gigantea. Consequently, besides the capacity of this plant to excrete urease into the tank water, the close association of this enzyme to urea uptake regions could further increase the rate and efficiency of urea assimilation by plant cells. Although urea is characterized as an occasional and only short-lived nutrient source, which is furthermore subject to intense interspecific competition, urea can be considered to be a preferential nitrogen source for Vriesea gigantea. One reason for the preferential use of urea could be the advantage of simultaneously gaining carbon and nitrogen, two limiting resources in the natural habitat of epiphytic bromeliads