Involvement of glutathione availability on arsenic tolerance in Pistia stratiotes L. (ARACEAE)

Abstract

Glutathione is a multifunctional peptide important for response to multiple stress conditions in plants, such as arsenic (As) stress. Following recent results, which demonstrate that aquatic macrophytes, such as Pistia stratiotes, exhibit As tolerance linked to a glutathione metabolism, we investigated in presented study, how much glutathione availability can alter plant response to As, using a tolerant As concentration determined in the literature for P. stratiotes, but under glutathione limitation, with a glutathione synthesis inhibitor, DL-Buthionine sulfoximine (BSO). The plants were grown in the nutrient solution, pH 6.5, 1/2 ionic strength, and used in two experimental approaches. The first approach aimed to identify the most critical demands in glutathione metabolism during As exposure. The experiment consisted of a factorial design with 2 concentrations of sodium arsenite (0 and 5 µM) and 5 BSO concentrations (0, 25, 50 100, and 200 µM) in 5 replications and one plant per pot (0.25 L) exposed for 48 hours in a controlled condition in a growth room. The second approach aimed to evaluate how glutathione availability can alter As concentration in plant and physiological processes, such as photosynthesis, respiration, sugar content and antioxidant parameters. The experiment consisted of 4 treatments: Control (nutritive solution), BSO (200 µM), sodium arsenite (5 µM) and As (5 µM) + BSO (200 µM), in 5 replications and one plant per pot (0.25 L) exposed for 48 hours in a controlled condition. In both experiments, As concentration in roots decreased about 50% under BSO treatments, with increased As translocation to leaves at 3-times. Arsenic exposure induced glutathione metabolism responses, especially in roots, with increased activity of antioxidant enzymes and enzymes and compounds linked to As detoxification. All glutathione metabolism was affected by BSO, starting from γ-glutamyl-cysteine synthetase (γ- ECS), followed by depletion of glutathione content in plant. In our experiments, Glutathione peroxidase (GPX) and Dehydroascorbate reductase (DHAR) indicated high sensitivity to glutathione availability than Glutathione-S transferase (GST) and the Phytochelatins (PC) content. However, glutathione reductase functions are well preserved in glutathione depletion; furthermore, GSH-independent functions, such as Catalase (CAT), Ascorbate Peroxidase (APX) and Ascorbate increasing their activity. Other aspects were also affected by glutathione, especially in photosynthesis, with decreased carbon assimilation rates linked to increased oxidative stress markers and changes in starch content in plant. Also was affected by As exposure the pigment content, heat dissipation and electron transport rate. Furthermore, this damage is enhanced by glutathione depletion in two respects, the first linked to increased As translocation to leaves and the second to decreased redox protection on BSO exposure. Based on the results, it is possible to conclude that the tolerance of P. stratiotes to As can be largely explained by the activity of glutathione metabolism, which participates in different aspects of the plant's survival in environments contaminated with arsenic and can define the performance of this aquatic plant in phytoremediation processes of this contaminant. Keywords: GSH. Arsenite. BSO. Aquatic Plant. Phytoremediation.

A glutationa é um peptídeo multifuncional importante para resposta vegetal à múltiplas condições de estresse, como o estresse por arsênio (As). Após resultados recentes, onde macrófitas aquáticas, como Pistia stratiotes, exibem tolerância de As ligada ao metabolismo da glutationa, investigamos neste estudo o quanto a disponibilidade de glutationa altera a resposta das plantas ao As, usando uma concentração tolerável de As definida na literatura para P. stratiotes, mas sob depleção de glutationa pelo inibidor DL-Butionina sulfoximina (BSO). As plantas foram cultivadas em solução nutritiva, pH 6,5, força iônica 1/2, em duas abordagens experimentais. A primeira abordagem teve como objetivo identificar as demandas mais críticas no metabolismo da glutationa durante a exposição ao As. O experimento consistiu de um fatorial com 2 concentrações de arsenito de sódio (0 e 5 µM), 5 concentrações de BSO (0, 25, 50 100 e 200 µM), 5 repetições e uma planta por vaso (0,25 L) por 48 horas em sala de crescimento. A segunda abordagem objetivou avaliar como a disponibilidade de glutationa pode alterar a concentração de As na planta e em processos fisiológicos, como fotossíntese, respiração, teor de açúcar e parâmetros antioxidantes. O experimento consistiu de 4 tratamentos: Controle (solução nutritiva), BSO (200 µM), arsenito de sódio (5 µM) e As (5 µM) + BSO (200 µM), em 5 repetições e uma planta por vaso (0,25 L) exposto por 48 horas em condição controlada. Em ambos os experimentos, a concentração de As em raízes diminuiu 50% e aumentou em 3 vezes a translocação de As para as folhas sob tratamento de BSO. A exposição ao As induziu respostas do metabolismo da glutationa, especialmente nas raízes, com aumento da atividade de compostos e enzimas, antioxidantes e de desintoxicação do As. Todo o metabolismo da glutationa foi afetado pelo BSO, desde a γ-glutamil-cisteína sintetase (γ- ECS), seguida pela depleção de glutationa na planta. Em nossos experimentos, a glutationa peroxidase (GPX) e a desidroascorbato redutase (DHAR) indicaram alta sensibilidade à disponibilidade de glutationa comparada a glutationa-S transferase (GST) e o conteúdo de fitoquelatinas (PC). No entanto, as funções da glutationa redutase foram bem preservadas na depleção da glutationa; além disso, funções independentes de GSH, como Catalase (CAT), Ascorbato Peroxidase (APX) e Ascorbato aumentam suas atividades. Outros aspectos também foram afetados pela glutationa, principalmente a fotossíntese, com diminuição das taxas de assimilação de carbono com aumento dos marcadores de estresse oxidativo e alterações no teor de amido na planta. Também foram afetados pelo As, o conteúdo de pigmentos, dissipação de calor e taxa de transporte de elétrons. Além disso, os danos aumentaram pela depleção de glutationa em dois aspectos, o primeiro relacionado ao aumento da translocação de As para as folhas e o segundo pela redução da proteção redox pelo BSO. Com base nos resultados, é possível concluir que a tolerância de P. stratiotes ao As pode ser largamente explicada pelo metabolismo da glutationa, presente em diferentes aspectos da sobrevivência da planta em ambientes contaminados com As, podendo definir o desempenho desta planta aquática na fitorremediação deste contaminante. Palavras-chave: GSH. Arsenito. BSO. Planta Aquática. Fitorremediação