Sinalização celular em resposta ao arsênio: mecanismos de ação do óxido nítrico em nível molecular, bioquímico, fisiológico, ultraestrutural e implicações para fitorremediação

Abstract

O óxido nítrico (NO) é um importante sinalizador celular em condições de estresses bióticos ou abióticos. No presente estudo investigou-se o papel deste sinalizador na resposta de Pistia stratiotes ao arsênio (As). As plantas, cultivadas em solução nutritiva, pH 6,5, 1⁄4 da força iônica, foram expostas a quatro tratamentos, por 24 horas: controle (apenas solução nutritiva); nitroprussiato sódico (SNP doador de NO) (0,1 mg L -1 ); As (1,5 mg L -1 ); As+SNP (1,5 e 0,1 mg L -1 , respectivamente). Para análise de crescimento as plantas permaneceram por três dias nas condições supracitadas. O acúmulo de As por P. stratiotes aumentou a concentração de espécies reativas de oxigênio (ROS), o que teve efeitos danosos sobre a integridade das membranas celulares e sobre vários processos fisiológicos, como fotossíntese, respiração e fotorrespiração. Em relação à fotossíntese, diversos parâmetros foram alterados, desde a concentração de pigmentos até a fixação de carbono, com consequente queda na concentração de sacarose. Comportamento similar foi observado em relação à taxa de fotorrespiração, que também apresentou decréscimos. O processo respiratório, por sua vez, aumentou, provavelmente devido à similaridade química entre arsenato e fosfato, o que comprometeu o status energético da célula. Todos esses efeitos danosos do As se refletiram sobre a estrutura celular de P. stratiotes , provocando a desestruturação do sistema de membranas e o colapso do protoplasto, além de queda dos tricomas. Consequentemente, observou-se queda do crescimento vegetal e baixo índice de tolerância ao poluente. A adição de SNP, no entanto, foi capaz de atenuar os efeitos tóxicos do As, provavelmente através da S-nitrosilação proteica. A adição de SNP manteve a concentração de ROS em níveis similares ao controle e restaurou a taxa fotossintética, a estrutura celular das plantas e a taxa de crescimento. Esses efeitos benéficos do SNP aparentemente são consequências de alterações desencadeadas tanto no metabolismo primário, secundário e antioxidante de P. stratiotes . O SNP aumentou o NPQ e a atividade respiratória, além de inibir a fotorrespiração, o que provavelmente está relacionado com a manutenção da homeostase de ROS e com a geração de esqueletos de carbono para mecanismos de defesa. Essas alterações nos 7 viiiprocessos vegetais foram acompanhadas por mudanças nas concentrações de açúcares, intermediários do ciclo de Calvin e intermediários da fotorrespiração. O SNP também influenciou de forma significativa o metabolismo antioxidante de P. stratiotes exposta ao As, tendo sido observado aumento na atividade de enzimas antioxidantes, como dismutase do superóxido, peroxidase, catalase, peroxidase da glutationa e redutase da glutationa, e alteração a concentração de antioxidantes não enzimáticos, como glutationa, ascorbato e prolina. A glutationa foi particularmente importante na tolerância de P. stratiotes ao As, e parece ter agido tanto como substrato para atividade enzimática quanto para a síntese de fitoquelatinas. O SNP desencadeou ainda alterações nos metabólitos relacionados com a glicólise e com o ciclo dos ácidos tricarboxílicos, além de afetar a concentração de vários polióis e aminoácidos, a maior parte dos quais estão relacionados com o combate ao estresse oxidativo. A adição de SNP permitiu, portanto, a integração dos processos vegetais e o ajuste da maquinaria metabólica de P. stratiotes em resposta ao As, o que resultou na reprogramação do metabolismo antioxidante e alterações no metabolismo primário e secundário, culminando com o aumento da tolerância das plantas ao metaloide.

Nitric oxide (NO) is an important cellular signaling molecule involved in the response of plants to biotic and abiotic stress. This study investigated the role of NO in Pistia stratiotes responses to arsenic (As). The plants were cultivated in nutrient solution, pH 6.5, with 1⁄4 of the full ionic strength and exposed to four treatments, for 24 hours: control (nutrient solution) sodium nitroprusside (SNP) (0.1 mg L-1); As (1.5 mg L-1); As + SNP (1.5 and 0.1 mg L-1, respectively). For growth analysis, plants remained for three days in the conditions described above. The accumulation of As by P. stratiotes increased the concentration of reactive oxygen species, which had harmful effects on the integrity of cell membranes and several physiological process, as photosynthesis, respiration and photorespiration. Regarding the photosynthesis, several parameters have changed, including since the pigment concentration until the carbon fixation, with consequent decrease in sucrose concentration.Similar behavior was observed in relation to photorespiration rate, which also decreased. The respiration process increased, probably due to chemical similarity between arsenate and phosphate, which compromised the energy status of the cell. All these harmful effects of As were reflected in the cellular structure of P. stratiotes, causing the disruption of the membranes system, the collapse of the protoplast and fall in trichomes.As a consequence, there was decrease of plant growth and low level of tolerance to the pollutant. The addition of SNP, however, was able to attenuate the toxic effects of the As, probably through protein S-nitrosylation. The addition of SNP remained the concentration of ROS at levels similar to the control and restored the photosynthetic rate, the cellular structure and the growth rate. These beneficial effects of SNP apparently are consequences of changes triggered both in primary, secondary and antioxidant metabolism of P. stratiotes . The SNP increased the NPQ and the respiratory activity, and inhibited photorespiration, which is probably related to the maintenance of ROS homeostasis and the generation of carbon skeletons for defense mechanisms. These changes in plant processes were accompanied by changes in sugar concentrations, Calvin cycle intermediates and intermediates of the photorespiration. The SNP also influenced the antioxidant metabolism of P. 9 ixistratiotes exposed to As and increased the activity of antioxidant enzymes such as superoxide dismutase, peroxidase, catalase, glutathione peroxidase and of glutathione reductase, and altered the concentration of non-enzymatic antioxidants such as glutathione, ascorbate and proline. Glutathione was particularly important in the tolerance of P. stratiotes to As, and appears to have acted both as a substrate for enzyme activity as for the phytochelatin synthesis. The SNP also triggered changes in metabolites related with the glycolysis and the tricarboxylic acid cycle and affected the concentration of various polyols and amino acids, most of which are related to the oxidative stress. The addition of SNP therefore enabled the integration of plant physiological processes and the adjusting the metabolic machinery of P. stratiotes in response to As, resulting in the reprogramming the antioxidant metabolism and changes in primary and secondary metabolism, culminating in the increase in the plant tolerance to the metalloid.