Papel dos transportadores de nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD) nos mecanismos de tolerância ao alumínio em Arabidopsis thaliana

Abstract

Nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD) é uma coenzima que desempenha um papel central no metabolismo redox em todos os domínios da vida. Esse nucleotídeo de pirimidina é muito importante em diversas reações oxirredutoras necessárias para um bom funcionamento do metabolismo celular, como fotossíntese, -oxidação de lipídios, via oxidativa das pentoses e ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA), possuindo papel de sinalizador a nível celular. O alumínio (Al) está entre os principais limitantes do desenvolvimento e produtividade de culturas em solos ácidos (pH<5). A acidificação do solo culmina na solubilização de cátions tóxicos de Al no mesmo, sendo a principal forma o Al3+. Quando submetidas à longos períodos de exposição ao Al, as plantas sofrem diversas alterações fenotípicas. Com efeito, a toxicidade ao Al resulta no estresse oxidativo, acarretando danos aos componentes celulares. A exposição ao Al causa redução na respiração mitocondrial, provavelmente devido a danos oxidativos resultantes da produção acentuada de espécies reativas de oxigênio (ROS). Em Arabidopsis, já foram identificados diversos transportadores de NAD+, incluindo os localizados na membrana interna (NDT1 e NDT2) e o transportador peroxissomal (PXN). O papel dessas proteínas é importar essa nicotinamida para o interior da respectiva organela em troca de diversos nucleotídeos, fosfatados ou não. O NAD desempenha papel fundamental de regulação no estado redox celular e em reações oxidativas do metabolismo de ROS. Por tudo isso, hipotetiza-se que os transportadores de NAD mitocondriais e peroxissomais possuem papel importante nas plantas em resposta ao Al em níveis tóxicos. Assim, níveis ideais de NAD+ em cada organela seriam necessários para respostas adequadas da planta a esse metal. A fim de elucidar mecanismos de tolerância ao Al em distintos estádios do desenvolvimento de Arabidopsis thaliana, o genótipo selvagem (WT) e os mutantes deficientes na expressão dos transportadores de NAD (ndt1, ndt2 e pxn1) foram submetidos aos tratamentos pH 5.7, pH 4 e pH 4 + Al. Parâmetros de germinação, morfométricos e histoquímicos foram analisados em plântulas e parâmetros metabólicos e fotossintéticos em plantas adultas. Os resultados demonstraram que os mutantes apresentaram menor velocidade de germinação que o WT, sendo que pxn1 foi o mutante mais afetado para este parâmetro. Análises in sílico sugerem que a proteína PXN é altamente expressa em sementes durante a germinação. Apesar das diferenças na velocidade da germinação, a porcentagem final de germinação é igual para todos os genótipos. Os mutantes ndt1 e ndt2 apresentaram maior comprimento de raiz que o WT sob condições ótimas. Nas demais análises, os genótipos não apresentaram diferenças importantes no conteúdo de metabólitos ou parâmetros fotossintéticos apresentados. Esses últimos resultados coincidem com os de análises prévias com os mesmos genótipos. Em síntese, a baixa expressão dos transportadores mitocondriais e peroxissomal não promoveu alterações significativas nos parâmetros de desenvolvimento das plantas sob tratamentos de pH ácido e Al em concentrações tóxicas. Palavras-chave: Transportadores; Coenzimas; Estresse abiótico; Metabolismo mitocondrial; Respiração.Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) is a coenzyme that plays a central role in redox metabolism across all domains of life. This pyrimidine nucleotide is crucial in various oxidation–reduction reactions required for proper cellular metabolic function, such as photosynthesis, lipid -oxidation, the oxidative pentose phosphate pathway, and the tricarboxylic acid (TCA) cycle, and it also acts as a cellular signaling molecule. Aluminum (Al) is among the major limiting factors for crop development and productivity in acidic soils (pH < 5). Soil acidification leads to the solubilization of toxic Al cations, predominantly in the form of Al³. When exposed to prolonged periods of Al, plants undergo several phenotypic changes. Indeed, Al toxicity results in oxidative stress, causing damage to cellular components. Exposure to Al reduces mitochondrial respiration, likely due to oxidative damage resulting from the enhanced production of reactive oxygen species (ROS). In Arabidopsis, several NAD transporters have already been identified, including those located in the inner mitochondrial membrane (NDT1 and NDT2) and the peroxisomal transporter (PXN). The role of these proteins is to import nicotinamide adenine dinucleotide into their respective organelles in exchange for various nucleotides, phosphorylated or not. NAD plays a fundamental role in regulating cellular redox state and oxidative reactions within ROS metabolism. Altogether, it is hypothesized that mitochondrial and peroxisomal NAD transporters play an important role in plant responses to Al at toxic levels. Thus, optimal levels of NAD within each organelle would be required for appropriate plant responses to this metal. To elucidate mechanisms of Al tolerance at different developmental stages of Arabidopsis thaliana, the wild type (WT) and mutants deficient in the expression of NAD transporters (ndt1, ndt2, and pxn1) were subjected to treatments of pH 5.7, pH 4, and pH 4 + Al. Germination, morphometric, and histochemical parameters were analyzed in seedlings, and metabolic and photosynthetic parameters were analyzed in adult plants. The results showed that the mutants exhibited slower germination rates than the WT, with pxn1 being the most affected mutant for this parameter. In silico analyses suggest that the PXN protein is highly expressed in seeds during germination. Despite differences in germination rate, the final germination percentage was the same for all genotypes. The ndt1 and ndt2 mutants displayed greater root length than the WT under optimal conditions. In the remaining analyses, the genotypes showed no major differences in metabolite content or the photosynthetic parameters assessed. These latter results are consistent with previous analyses carried out with the same genotypes. In summary, reduced expression of mitochondrial and peroxisomal transporters did not lead to significant alterations in plant developmental parameters under acidic pH treatments and toxic Al concentrations. Keywords: Transporters ; Coenzymes; Abiotic stress ; Mitochondrial metabolism ; Respiration.