Victória de Carvalho
Em 13 de abril de 2016, a aluna Victória de Carvalho do programa de Pós-Graduação em Biodiversidade Vegetal e Meio Ambiente do Instituto de Botânica de São Paulo, bolsista CNPq, defendeu sua dissertação de mestrado intitulada: “Estresse oxidativo na bromélia C3-CAM facultativa Guzmania monostachia (L.) Rusby ex Mez em resposta ao déficit hídrico”.
A banca examinadora foi presidida pela orientadora, Dra. Catarina Carvalho Nievola do Núcleo de Pesquisa em Plantas Ornamentais (IBt), e contou com a participação da Dra. Marília Gaspar do Núcleo de Pesquisa em Fisiologia e Bioquímica (IBt), e da Dra. Mirian Cilene Spasiani Rinaldi do Núcleo de Pesquisa em Ecologia (IBt).
Estresse oxidativo na bromélia C3-CAM facultativa Guzmania monostachia (L.) Rusby ex Mez em resposta ao déficit hídrico
ABSTRACT
The Crassulacean acid metabolism (CAM) is a photosynthetic pathway that promotes drought tolerance, allowing plants to have high CO2 fixation rates even under water shortage conditions. This pathway presents high plasticity in adjustment according to changes in humidity, which is mostly observed in C3-CAM intermediate species. The CO2 fixation in these plants can be switched between C3 and CAM photosynthesis, which allows their metabolism to adapt to drought periods and recover when water supply is restored, resuming its growth and development. Thus, C3-CAM intermediate species can be considered important models to evaluate physiological mechanisms involved in the resilience of plants to humid-dry cycles. Activation of CAM in response to drought was observed in the bromeliad Guzmania monostachia (L.) Rusby ex Mez, which is an important adaptation to the intermittent water availability of the natural epiphytic environment of this species. That was also observed in juvenile atmospheric individuals of this bromeliad, which can be considered crucial for its survival because they cannot store water in leaf tanks as the adults. In addition, these plants must also tolerate and recover from consequential effects to drought, such as increased production of reactive oxygen species (ROS) like hydrogen peroxide (H2O2) that can lead to cell damage. Reports of ROS metabolism in C3-CAM intermediate plants in response to water availability are still scarce; however, it is hypothesized that the CAM pathway may prevent excessive ROS production. Thus, atmospheric plants of G. monostachia are suitable to study ROS metabolism in response to CAM activation after drought exposure and photosynthetic recovery after rehydration. This study aimed to verify whether (i) CAM expression induced by water shortage decreases ROS production and antioxidant enzyme activity in atmospheric plants of G. monostachia; and if (ii) these plants recover their photosynthetic activity and ROS metabolism after rehydration. First, plants were kept under daily irrigation (control) and watering suspension for one and eight days. An overnight accumulation of malate was observed in all conditions, which is indicative of CAM expression. However, this metabolic pathway was intensified gradually after one and eight days of drought. After one day of treatment, there was a 50% increase in total ROS content compared to the control, which may be involved in signalling pathways in order to activate acclimatization mechanisms to water loss, such as intensification of CAM. After eight days of drought, there was a decrease in ROS content to similar levels of the control, as well as 38% reduction in antioxidant enzyme activities on average. These results suggest that increased CAM expression may have intensified its prevention feature against ROS production, reducing the demand on the antioxidant system. Afterwards, plants exposed to eight days of drought were irrigated daily for six more days. These plants were able to recover its water content and CAM intensity to levels similar of the control. However, antioxidant enzyme activities increased and their daily rhythm was altered in comparison to the control. Diurnal production of hydrogen peroxide (H2O2) was also changed, which implies that rewatered plants were still under acclimatization process, although they presented rapid modulation of the antioxidant system throughout the day in response to the recent acquisition of water. This study showed that modulation of the CAM pathway in response to leaf water content is closely related to the dynamics between ROS production and the antioxidant system in atmospheric plants of G. monostachia. These results may help in creating subsidies for the identification of genes related to CAM modulation and ROS metabolism involved in the drought tolerance of these plants.
Keywords: antioxidant enzymes, Crassulacean acid metabolism, epiphyte, drought, reactive oxygen species, rewatering
RESUMO
O metabolismo ácido das crassuláceas (CAM, sigla do inglês) é uma via fotossintética que promove tolerância à seca, permitindo altas taxas de fixação de CO2 pelas plantas mesmo em condições de escassez de água. Esta via têm alta plasticidade de ajuste quanto alterações na umidade, o que é observado principalmente em espécies C3-CAM facultativas. Estas podem alternar entre a fixação de CO2 realizada via C3 e CAM, o que permite a adaptação de seu metabolismo para períodos de seca e sua recuperação quando o fornecimento de água é restabelecido, retomando seu crescimento e desenvolvimento. Assim, espécies C3-CAM facultativas podem ser consideradas importantes modelos de estudo para avaliar mecanismos fisiológicos envolvidos na resiliência das plantas à exposição aos ciclos de umidade-seca do ambiente. A ativação de CAM em resposta à seca foi observada na bromélia Guzmania monostachia (L.) Rusby ex Mez, o que confere importante adaptação à disponibilidade intermitente de água do ambiente epifítico, natural da espécie. Isto também foi observado em indivíduos jovens atmosféricos desta bromélia, o que pode ser considerado crucial para sua sobrevivência, pois estas não podem acumular água em tanques foliares como as adultas. Adicionalmente, estas plantas também devem tolerar e se restaurar de efeitos consequenciais da seca, como a produção aumentada de espécies reativas de oxigênio (ROS, sigla do inglês) como o peróxido de hidrogênio (H2O2), que podem levar a danos nas células. Estudos sobre como plantas CAM realizam o controle da produção de ROS em resposta à seca e reidratação não são conclusivos, no entanto, existe a hipótese de que CAM pode agir como mecanismo de prevenção à produção excessiva de ROS. Desta forma, plantas atmosféricas de G. monostachia são adequadas para estudar o metabolismo de ROS quanto a ativação do CAM em resposta à seca e recuperação da atividade fotossintética após a reidratação. O presente trabalho visou avaliar se (i) a expressão de CAM induzida pela deficiência hídrica diminui a produção de ROS e a atividade enzimática antioxidante em plantas atmosféricas de G. monostachia; e se (ii) a reidratação destas plantas permitem sua recuperação quanto a atividade fotossintética e metabolismo de ROS. Primeiramente, plantas foram mantidas em irrigação diária (controle) e suspensão de rega por um e oito dias. Em todas as condições, foi observado um acúmulo noturno de malato indicativo de CAM. No entanto, esta via foi intensificada gradualmente ao longo do período de um e oito dias de exposição à seca. Em um dia de tratamento, houve um aumento de 50% no conteúdo total de ROS em comparação ao controle, o que pode estar envolvido na sinalização para ativar mecanismos de aclimatação à perda de água, como a intensificação de CAM. Após oito dias de seca, houve uma queda no conteúdo de ROS a níveis similares ao controle, assim como redução de 38% nas atividades de enzimas antioxidantes, em média. Estes resultados sugerem que o aumento na expressão de CAM pode ter intensificado seu caráter preventivo à produção de ROS, diminuindo a demanda sobre o sistema antioxidante. Posteriormente, plantas expostas a oito dias de seca foram irrigadas diariamente por mais seis dias. Estas plantas foram capazes de recuperar seu conteúdo hídrico e intensidade de CAM a níveis similares ao controle. No entanto, houve aumento nas atividades de enzimas antioxidantes e alteração no seu ritmo diário em relação ao controle, o que também ocorreu para a produção de H2O2. Isto implica que as plantas reidratadas ainda mostravam-se em processo de aclimatação, porém com rápida modulação do sistema antioxidante ao longo do dia em resposta à recente aquisição de água. Este estudo mostrou que a modulação de CAM feita de acordo com o conteúdo de água está estreitamente relacionada com a dinâmica entre a produção de ROS e o sistema antioxidante em plantas atmosféricas de G. monostachia. Estes resultados podem auxiliar na formação de subsídios para identificação de genes da modulação da via CAM e metabolismo de ROS envolvidos na tolerância à seca destas plantas.
Palavras-chave: enzimas antioxidantes, epífita, espécies reativas de oxigênio, metabolismo ácido das crassuláceas, reidratação, seca
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