Programmed cell death, aerenchyma and pith cavity formation in vitro of Luffa cylindrica (L.) M. Roem.: an anatomical and physiological approach

Abstract

Luffa cylindrica is a cucurbitaceous plant that has fruits with a fibrous appearance, a pith cavity in the hypocotyl and induction of the formation of lysigenous aerenchyma in the roots under hypoxic conditions. These characteristics are related to programmed cell death, which is a mechanism that is strictly related to plant growth and development and is therefore an important pathway for tissue differentiation, pathogen recognition, stress signals and metabolic status. Although programmed cell death is an essential process for plants, gaps still need to be filled to better understand how it works. Therefore, in this work, we present cucurbits of the genus Luffa as potential models for studies involving programmed cell death and analyze the formation of lysigenous aerenchyma and the pith cavity in Luffa cylindrica over days and in different concentrations of agar (w/v) of agar (0; 0.15; 0.3; 0.45; 0.6; 0.75; and 0.9%) using morphoanatomical and physiological analyses. The results showed that the lysigenous aerenchyma of L. cylindrica is schizo-lysigenous, and its formation has 4 stages. The increase in intercellular spaces, elongation of cortical cells and the appearance of T-shaped cortical cells are characteristics observed during aerenchyma formation. For the first time, the process of pith cavity formation in L. cylindrica has been described anatomically. Changes in cell wall composition occur throughout the process of pith cavity and aerenchyma formation. The increased activity of antioxidant enzymes signals an increase in reactive oxygen species, triggering processes of PCD which result in the formation of aerenchyma and the pith cavity. The intensity of hypoxic stress showed different adaptive responses associated with PCD activation signaled by changes in metabolism and antioxidant enzyme activity. L. cylindrica under hypoxia reduced root growth and invested in the growth of the aerial part as a possible adaptive escape mechanism. Although the low oxygen concentrations affected metabolism, photosynthesis was not compromised and this, together with all the adaptive changes observed in this study, shows that L. cylindrica is resistant to abiotic stresses. Keywords: aerenchyma formation; pith cavity; Luffa cylindrica; programmed cell death; in vitro culture ; cucurbitaceaeLuffa cylindrica é uma cucurbitácea que apresenta frutos com aspecto fibrosos, cavidade da medula no hipocótilo e indução da formação de aerênquima lisígeno nas raízes em condições hipóxicas. Essas características estão relacionadas à morte celular programada (MCP), mecanismo estritamente relacionado com o crescimento e desenvolvimento das plantas e, portanto, importante via para diferenciação de tecidos, reconhecimento de patógenos, sinais de estresse e do estado metabólico. Embora a MCP seja um processo essencial para as plantas, ainda existem lacunas a serem preenchidas para melhor compreensão do seu funcionamento. Diante disso, nesse trabalho apresentamos as cucurbitáceas do gênero Luffa como potenciais modelos para estudos envolvendo MCP e analisamos a formação do aerênquima lisígeno e da cavidade da medula em Luffa cylindrica ao longo dos dias e em diferentes concentrações (m/v) de ágar (0; 0,15; 0,3; 0,45; 0,6; 0,75; 0,9%) por meio de análises morfoanatômicas e fisiológicas. Os resultados demonstraram que o aerênquima lisígeno de L. cylindrica é do tipo esquizo-lisígeno e sua formação apresenta 4 estágios. O aumento dos espaços intercelulares, alongamento das células corticais e surgimento de células corticais em forma de T são características observadas durante a formação do aerênquima. Pela primeira vez foi descrito anatomicamente o processo de formação da cavidade da medula em L.cylindrica. Mudanças na composição da parede celular ocorrem durante todo o processo de formação da cavidade da medula e do aerênquima. O aumento da atividade das enzimas antioxidantes sinaliza o aumento de espécies reativas de oxigênio desencadeando processos de MCP que resultam na formação do aerênquima e da cavidade da medula. A intensidade do estresse hipóxico demonstrou diferentes respostas adaptativas associadas a ativação de MCP sinalizada pelas mudanças no metabolismo e na atividade das enzimas antioxidantes. Mudanças na composição da parede celular ocorrem durante todo o processo de formação da cavidade da medula e do aerênquima. O aumento da atividade das enzimas antioxidantes sinaliza o aumento de espécies reativas de oxigênio desencadeando processos de morte celular programada. L. cylindrica em situação de hipoxia diminuiu o crescimento das raízes e investiu no crescimento da parte aérea como um possível mecanismo adaptativo de escape. Apesar das baixas concentrações de oxigênio terem afetado o metabolismo, não houve comprometimento da fotossíntese e isso associado a todas as mudanças adaptativas observadas nesse trabalho mostram que L. cylindrica é resistente a estresses abióticos. Palavras-chave: formação do aerênquima; cavidade da medula; Luffa cylindrica; morte celular programada; cultura in vitro; cucurbitaceae