Boron: nothing boring about this intriguing element

Abstract

Although Boron (B) is an essential micronutrient for plant growth and development, both deficiency and toxicity of B are important problems that severely affect agricultural production. This fact aside, the impact of these stresses in plants are still poorly understood. Thus, plants may respond differently to B availability through local and systemic signaling, whose mechanisms are yet poorly understood. Previous studies further suggest that ethylene plays a key role in the responses induced by B deficiency in the root system. The main goal of this work was to better understand the physiological and metabolic mechanisms underlying stress caused by B deficiency and excess, as well as to better understand the connections between ethylene and B in modulating plant growth. For this purpose, the responses of different conditions of B availability (deficiency, adequate and toxicity) were investigated in Arabidopsis and ethylene mutant tomato (Solanum lycopersicum) plants. The results obtained in this work demonstrate physiological and metabolic alterations in response to the contrasting conditions of B and that these responses are likely able to generate energy and maintain normal growth in B deficiency. It was also observed an association between B and ethylene levels mediating physiological and metabolic changes. Finally, our study sheds light on the complex relationship between B and ethylene and their overall effects on plant growth and development. The results described here helps to understand the plant's response mechanism to B deficiency and excess, and paves way for identifying the signaling pathways and genes involved in homeostasis and B accumulation in tissues. Although the absence of alterations in plant growth coupled with changes in fruit yield and seed production observed in response to change in the levels of ethylene is somewhat surprising it is tempting to speculate that pathways of energy metabolism and hormone metabolism are most likely highly interconnected at the whole plant level in a manner that allows the plant to prioritize reproductive organs during senescence under B stressfully conditions. It will be important to establish the functional significance of this observation in future studies in order to fully understand the molecular regulatory hierarchy regulating ethylene balance at the whole-plant level, particularly in response to fluctuations in B levels. Key-words: B deficiency, B toxicity, Ethylene, Central Metabolism.Embora o Boro (B) seja um micronutriente essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, juntamente com o fato de que tanto a deficiência quanto a toxicidade são problemas importantes que afetam severamente a produção agrícola, o impacto dessas tensões nas plantas ainda é pouco conhecido. Assim, as plantas podem responder diferentemente à disponibilidade de B por meio de sinalização local e sistêmica, cujos mecanismos ainda são pouco compreendidos. Estudos anteriores sugerem também que o etileno desempenha um papel fundamental nas respostas induzidas pela deficiência de B no sistema radicular. O principal objetivo deste trabalho foi entender melhor os mecanismos fisiológicos e metabólicos em resposta a deficiência e excesso de B, bem como entender melhor as conexões entre etileno e B na modulação do crescimento das plantas. Para tanto, foram investigadas as respostas de diferentes condições de disponibilidade de B (deficiência, adequada e toxidez) em plantas de Arabidopsis e tomateiro (Solanum lycopersicum) mutantes em etileno. Os resultados obtidos neste trabalho demonstram alterações no crescimento, ocorrem alterações fisiológicas e metabólicas em resposta às condições contrastantes de B e que essas respostas provavelmente são capazes de gerar energia e manter o crescimento normal na deficiência de B. Também foi observada associação entre os níveis de B e etileno, mediando alterações fisiológicas e metabólicas. Finalmente, nosso estudo lança luz sobre a complexa relação entre B e etileno e seus efeitos gerais no crescimento e desenvolvimento das plantas. Os resultados deste estudo ajudam a entender o mecanismo de resposta da planta à deficiência e ao excesso de B e abre caminho para identificar as vias de sinalização e os genes envolvidos na homeostase e no acúmulo de B nos tecidos. Embora a ausência de alterações no crescimento das plantas juntamente com as mudanças na produção de frutos e na produção de sementes observadas em resposta à mudança nos níveis de etileno seja algo surpreendente, é tentador especular que as vias do metabolismo energético e do metabolismo hormonal estão provavelmente altamente interconectadas ao nível de planta inteira de uma maneira que permita à planta priorizar os órgãos reprodutivos durante a senescência sob condições estressantes B. Será importante estabelecer o significado funcional dessa observação em estudos futuros para entender completamente a hierarquia molecular que regula o balanço de etileno em todo o nível da planta, particularmente em resposta as flutuações nos níveis de B. Palavras-chave: Deficiência de B, Toxidez de B, Etileno, Metabolismo Central