Acúmulo e fitotoxidade do flúor em Arabidopsis thaliana (Brassicaceae)

Abstract

O flúor (F), elemento mais eletronegativo da tabela periódica, é liberado para atmosfera por diversas atividades industriais, sendo facilmente absorvido pelas plantas através das folhas. A sua fácil absorção e alta reatividade com biomoléculas torna o F um dos poluentes atmosféricos mais fitotóxicos, pois gera danos oxidativos e altera o desenvolvimento celular. Embora existam muitas informações sobre os efeitos do F na fisiologia e estrutura das plantas, ainda é necessário compreender melhor os mecanismos de tolerância desenvolvidas pelas plantas em resposta ao estresse, e isso se torna mais fácil em uma espécie modelo. Além disso, conhecer os efeitos do F sobre uma espécie modelo de ensaios moleculares é extremamente importante para que análises posteriores de transcriptoma, proteoma e metaboloma sejam realizadas afim de elucidar os mecanismos de ação do poluente. Arabidopsis thaliana é uma planta modelo muito utilizada em trabalhos moleculares e ecotoxicológicos e, apesar das inúmeras vantagens de se trabalhar com essa espécie, são raros os estudos sobre os efeitos do F na mesma. Desta forma, objetivou-se compreender os efeitos do F em A. thaliana, e os mecanismos de defesa dessa espécie envolvidos no combate à fitotoxidez causada por este elemento. Para isso, plantas de A. thaliana foram submetidas à nevoeiros com 0, 20, 40 e 80 mg F L-1 por dez dias consecutivos, aplicando-se 15 mL de solução duas vezes ao dia. Ao término do experimento foram feitas coletas para a determinação do teor de F, e para avaliações das alterações morfoanatômicas, micromorfológicas, e fisiológicas. A. thaliana acumulou altíssimas concentrações de F nas folhas, mesmo nas plantas expostas a 20 mg F L-1, as quais não desenvolveram sintomas visuais de fitotoxidez, o que a caracteriza como espécie hiperacumuladora e tolerante. Nos tratamentos com 40 e 80 mg F L-1, necroses foliares iniciaram com 96 e 48 h, respectivamente, após a primeira aplicação dos nevoeiros, ocorrendo como pequenas manchas acinzentadas distribuídos pela lâmina foliar, incluindo margem e ápices. Foi observada redução na produção de biomassa e murcha foliar em função do aumento de F nos nevoeiros. Os danos na superfície das folhas foram caracterizados pelo aspecto plasmolisado das células, erosão das ceras epicuticulares, deformações das cristas estomáticas e da base dos tricomas, além da ruptura da parede periclinal externa das células epidérmicas. Estruturalmente, foram observadas deformações nas nervuras medianas das folhas, redução do tamanho dos feixes vasculares, e estreitamento da lâmina foliar nas regiões onde as células do parênquima lacunoso colapsaram. Entretanto, nos locais com ocorrência de hipertrofia celular e aumento do número de células no mesofilo houve um aumento da espessura. A face abaxial da folha foi mais afetada pelo F do que a adaxial, sendo observadas reentrâncias, redução do tamanho das células e ruptura da epiderme nessa face, enquanto que a epiderme da face adaxial se manteve intacta. Foi verificado aumento significativo na área dos elementos de vasos na nervura mediana em folhas expostas ao poluente mas sem injúria aparente. O F aumentou os níveis de aldeído malônico, indicando a ocorrência de estresse oxidativo, o qual contribuiu para a redução da assimilação interna de carbono (A), pigmentos fotossintetizantes (por degradação) e respiração (Rd). Além disso, o F elevou a concentração interna de carbono (Ci) e redução da condutância estomática (gs), ocasionada pela obliteração dos ostíolos por fragmentos de ceras epicuticulares, e perda da turgidez pelas células-guarda. Esses resultados sugerem aparentes limitações bioquímicas à fotossíntese, com possíveis reduções da atividade de enzimas do ciclo de Calvin, tais como a RuBisCO. A. thaliana demonstrou elevada tolerância ao F, já que a menor concentração utilizada neste trabalho (correspondente ao dobro da detectada em regiões poluídas) não promoveu danos severos e ainda resultou no elevado acúmulo do poluente nos tecidos. A. thaliana é uma espécie promissora em estudos sobre os mecanismos moleculares de combate ao estresse oxidativo causado pelo F.

The fluorine (F), most electronegative element of the periodic table, is released to atmosphere from various industrial activities, being easily absorbed by the plants through the leaves. Its easy absorption and high reactivity with biomolecules makes the F one of the most phytotoxic air pollutants because it generates oxidative damage and changes the cellular development. Although there are a lot of information about the effects of F in physiology and structure of plants, it is still necessary to better understand the mechanisms of tolerance developed by plants in response to stress, and it becomes easier in a kind model. Also, knowing the effects of F on a kind model of molecular assays is extremely important for further analysis of transcriptome, proteome and metabolome are carried out in order to elucidate the mechanisms of action pollutant. Arabidopsis thaliana is a model plant widely used in molecular and ecotoxicological studies and, despite the many advantages of working with this kind are few studies on the effects of F in it. Thus, this study aimed to understand the effects of F in A. thaliana, and the defense mechanisms of this kind involved in combating toxicity symptoms caused by this element. Thus, plants of A. thaliana were submitted to fog with 0, 20, 40 and 80 mg F L-1 for ten consecutive days, applying 15 ml of solution twice daily. At the end of experiment were made collections for determining the F content, and evaluations of morphoanatomic, Micromorphological, and physiological. A. thaliana accumulated extremely high fluoride concentrations in leaves, even in plants exposed to 20 mg F L-1, which did not develop visible symptoms of phytotoxicity, which characterized as tolerant hyperaccumulator species. In the treatments with 40 and 80 mg F L-1, foliar necrosis started with 96 and 48 h, respectively, after the first application of fogs, occurring as small gray spots distributed by leaf blade, including margin and apexes. There was a reduction in biomass production and leaf wilt due to the increase of F in the fogs. Damage to the leaf surface were characterized by the appearance of cells plasmolisado, erosion of the waxes, deformations of stomatal crests and the base of trichomes, beyond the rupture of the outer wall paraclinal of epidermal cells. Structurally, the median veins of the leaves deformations were observed, reducing the size of vascular bundles, and narrowing of the leaf blade in the regions where the cells of the spongy parenchyma collapsed. However, in areas with occurrence of cellular hypertrophy and an increase in the number of mesophyll cells was increased thickness. The abaxial side of the leaf was more affected by the adaxial F, recesses being observed, reduction of cell size and epidermis break this surface, while the adaxial epidermal remained intact. significant increase was seen in the area of vessel elements in the midrib in leaves exposed to the pollutant but no apparent injury. F increased malondialdehyde levels, indicating the occurrence of oxidative stress, which contributed to the reduction of carbon internal assimilation (A), photosynthetic pigments (degradation) and respiration (Rd). Furthermore, the F increased internal concentration of carbon (C) and reduced stomatal conductance (gs) caused by obstruction of ostia fragments by epicuticular waxes, and loss of turgor the guard cells. These results suggest apparent biochemical limitations to photosynthesis, possible reduction of the enzyme activity of the Calvin cycle, such as RuBisCO. A. thaliana showed high tolerance to F, since the lower concentrations used in this study (corresponding to double the detected in polluted areas) did not cause severe damage and even resulted in increased accumulation of pollutant tissue. A. thaliana is a promising species in studies of the molecular mechanisms of combating oxidative stress caused by F.