La carenza di azoto (N) colpisce prima i sistemi di assorbimento e assimilazione di N delle piante. I nitrati, la principale fonte di N vegetale, vengono assorbiti e trasportati dai trasportatori di nitrati. I nitrati possono essere metabolizzati direttamente nelle radici dopo l'assorbimento e immagazzinati nel vacuolo, ma la maggior parte dei nitrati viene trasportata nelle parti aeree delle piante. Il metabolismo di N e carbonio (C) è strettamente correlato nelle piante. La carenza di N colpisce non solo l'assorbimento e l'assimilazione di N, ma anche l'assimilazione di C, in particolare la fotosintesi. La degradazione delle proteine ​​per il riciclo di N aiuta le piante ad adattarsi alla carenza di N.

L'autofagia è uno dei percorsi di degradazione e riciclaggio più importanti per le proteine ​​e gli organelli citoplasmatici e svolge un ruolo fondamentale nel riciclaggio e nella rimobilizzazione dei nutrienti in condizioni di fame di nutrienti. In condizioni di restrizione N, Rubisco può essere trasferito al vacuolo e degradato attraverso un processo autofagico dipendente dal gene correlato all'autofagia (ATG). Sebbene la funzione dell'autofagia nel riciclo interno di N sia stata ampiamente studiata, resta da studiare in che modo l'autofagia influenzi l'assorbimento e l'assimilazione di N e i processi di assimilazione di C.

Recentemente, gli scienziati dell'Università di agricoltura di Hunan e dell'Università di agricoltura di Zhejiang hanno riferito che il percorso autofagico contribuisce a una bassa tolleranza all'azoto (LN) ottimizzando l'assorbimento e l'utilizzo dell'azoto nel pomodoro. In primo luogo, gli autori hanno scoperto che i mutanti dell'autofagia del pomodoro (atg6, atg10 e atg18a) sono ipersensibili allo stress LN.

Gli autori hanno quindi utilizzato mutanti knockout ATG6 (atg6) e piante di sovraespressione (ATG6-OE) per analizzare ulteriormente le funzioni biologiche dell'autofagia in condizioni LN e hanno scoperto che l'autofagia dipendente da ATG6 era essenziale per la risposta del pomodoro a condizioni N-limitate. Rispetto alle piante WT, i mutanti atg6 avevano una biomassa e un contenuto di clorofilla inferiori e una formazione di autofagosomi sostanzialmente ridotta dopo il trattamento dello stress LN, mentre le piante ATG6-OE avevano un contenuto di biomassa e clorofilla più elevato e una maggiore induzione della formazione di autofagosomi.

Sotto stress LN, i contenuti di germogli e radici N delle piante atg6 e ATG6-OE erano significativamente inferiori e superiori, rispettivamente, rispetto a quelli delle piante WT. L'espressione indotta da LN dei geni trasportatori di nitrati NRT1.1 e NRT2.1 è stata completamente compromessa in atg6, mentre la loro espressione era maggiore nelle piante ATG6-OE rispetto alle piante WT. Dopo il trattamento dello stress LN, le attività della nitrato reduttasi e della nitrito reduttasi nelle foglie dei mutanti knockout di ATG6 e delle piante ATG6-OE sono state rispettivamente diminuite e aumentate in misura diversa, rispetto alle piante WT.

Questi dati hanno indicato che l'autofagia è coinvolta nel trasporto e nell'assimilazione di N in condizioni di LN. Ulteriori analisi hanno mostrato che l'autofagia dipendente da ATG6 promuove l'assimilazione di N e C e successivamente contribuisce alla crescita delle piante sotto stress LN. Esperimenti di innesto in cui i mutanti knockout di ATG6 sono stati innestati con piante WT come rampolli o portainnesti hanno ulteriormente suggerito che l'autofagia dipendente da ATG6 aumenta sistematicamente il metabolismo N, la fotosintesi e la crescita delle piante in condizioni LN. Questo lavoro è stato pubblicato sulla rivista Horticulture Research .

"I nostri risultati rivelano nuove funzioni dell'autofagia, ovvero la regolazione dell'assorbimento e dell'utilizzo di N e dell'assimilazione di C, oltre al riciclaggio e alla rimobilizzazione dei nutrienti nel pomodoro sotto stress da LN", hanno affermato gli autori. "Migliorare intenzionalmente l'autofagia può essere una strategia vantaggiosa per migliorare la crescita e la resa delle colture in condizioni carenti di azoto".