Zinc (Zn) is an essential micronutrient for plant growth. Accordingly, Zn deficiency (-Zn) in agricultural fields is a serious problem, especially in developing regions. Autophagy, a major intracellular degradation system in eukaryotes, plays important roles in nutrient recycling under nitrogen and carbon starvation. However, the relationship between autophagy and deficiencies of other essential elements remains poorly understood, especially in plants. In this study, we focused on Zn due to the property that within cells most Zn is tightly bound to proteins, which can be targets of autophagy. We found that autophagy plays a critical role during -Zn in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Autophagy-defective plants (atg mutants) failed to grow and developed accelerated chlorosis under -Zn. As expected, -Zn induced autophagy in wild-type plants, whereas in atg mutants, various organelle proteins accumulated to high levels. Additionally, the amount of free Zn2+ was lower in atg mutants than in control plants. Interestingly, -Zn symptoms in atg mutants recovered under low-light, iron-limited conditions. The levels of hydroxyl radicals in chloroplasts were elevated, and the levels of superoxide were reduced in -Zn atg mutants. These results imply that the photosynthesis-mediated Fenton-like reaction, which is responsible for the chlorotic symptom of -Zn, is accelerated in atg mutants. Together, our data indicate that autophagic degradation plays important functions in maintaining Zn pools to increase Zn bioavailability and maintain reactive oxygen species homeostasis under -Zn in plants.

中文翻译：

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自噬增加了锌的生物利用度，从而避免了锌缺乏时光介导的活性氧的产生。

锌（Zn）是植物生长必需的微量营养素。因此，特别是在发展中地区，农田中的锌缺乏症（-Zn）是一个严重的问题。自噬是真核生物中主要的细胞内降解系统，在氮和碳缺乏的条件下，在营养循环中起着重要作用。然而，自噬与其他必需元素缺乏之间的关系仍然知之甚少，尤其是在植物中。在这项研究中，我们将注意力集中在Zn上，因为该特性在细胞内大多数Zn与蛋白质紧密结合，而蛋白质可以成为自噬的靶标。我们发现自噬在拟南芥（Arabidopsis thaliana）的-Zn过程中起关键作用。自噬缺陷植物（atg突变体）未能生长，并在-Zn下加速了萎黄。不出所料，-Zn诱导了野生型植物的自噬，而在atg突变体中，各种细胞器蛋白质积累高水平。另外，atg突变体中游离Zn 2+的量低于对照植物。有趣的是，atg突变体中的-Zn症状在弱光，铁受限条件下得以恢复。在-Zn atg突变体中，叶绿体中的羟基自由基水平升高，而超氧化物水平降低。这些结果表明，在atg突变体中，光合作用介导的类似Fenton的反应（导致-Zn出现黄绿色症状）被加速。总之，我们的数据表明自噬降解在维持Zn库以增加Zn生物利用度和维持-Zn下植物体内活性氧稳态方面起着重要作用。atg突变体中游离Zn 2+的量低于对照植物。有趣的是，atg突变体中的-Zn症状在弱光，铁受限条件下得以恢复。在-Zn atg突变体中，叶绿体中的羟基自由基水平升高，而超氧化物水平降低。这些结果表明，在atg突变体中，光合作用介导的类似Fenton的反应（导致-Zn出现绿藻症状）被加速。总之，我们的数据表明自噬降解在维持Zn库以增加Zn生物利用度和维持-Zn下植物体内活性氧稳态方面起着重要作用。atg突变体中游离Zn 2+的量低于对照植物。有趣的是，atg突变体中的-Zn症状在弱光，铁受限条件下得以恢复。在-Zn atg突变体中，叶绿体中的羟基自由基水平升高，而超氧化物水平降低。这些结果表明，在atg突变体中，光合作用介导的类似Fenton的反应（导致-Zn出现黄绿色症状）被加速。总之，我们的数据表明自噬降解在维持Zn库以增加Zn生物利用度和维持-Zn下植物体内活性氧稳态方面起着重要作用。在-Zn atg突变体中，叶绿体中的羟基自由基水平升高，而超氧化物水平降低。这些结果表明，在atg突变体中，光合作用介导的类似Fenton的反应（导致-Zn出现黄绿色症状）被加速。总之，我们的数据表明自噬降解在维持Zn库以增加Zn生物利用度和维持-Zn下植物体内活性氧稳态方面起着重要作用。在-Zn atg突变体中，叶绿体中的羟基自由基水平升高，而超氧化物水平降低。这些结果表明，在atg突变体中，光合作用介导的类似Fenton的反应（导致-Zn出现绿藻症状）被加速。总之，我们的数据表明自噬降解在维持Zn库以增加Zn生物利用度和维持-Zn下植物体内活性氧稳态方面起着重要作用。