Metabolic and physiological aspects associated with differential aluminum tolerance in maize

Abstract

Maize (Zea mays) is a major crop cultivated worldwide with several uses including animal feeding human consumption and alcohol production. Notably, it is mostly cultivated in tropical and subtropical regions, where acid soils are prevalent. In those acidic soils, the toxicity triggered by aluminum (Al), in special Al 3+ , is the main factor limiting agricultural production. In this context, strategies aiming at developing stress-resistant crops could increase productive capacity and reduce yield penalty. Al tolerance in maize has been associated with organic acid (OA) exudation, mediated mainly by the membrane transporter family MATE (MULTIDRUG AND TOXIC COMPOUND EXTRUSION). Which are responsible for citrate exudation to rizosphere in an OA/H + antiport in root cells in response to Al toxicity. In this study, we used five genotypes derived from Al-intermediate tolerant (L3) and Al-sensitive (L53) genotypes with differential expression of the gene MATE that culminated with differential Al tolerance. Given that OA is intimately related with tricarboxilic acid cycle the metabolic consequences of this differential Al-tolerance were investigated. Higher Al content was observed in Al treated samples in all genotypes comparing with its respective controls. Interestingly, Al treated seedlings of tolerant genotypes showed higher increase in Al content than seedling of sensitive ones. This fact aside, higher accumulation of Al was observed in roots of genotypes with lower OA exudation. Moreover, this change in Al uptake and transport also lead to significant changes in mineral elements content including calcium and magnesium. Histochemical evaluation of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and superoxide (O 2- ) in roots indicate that accumulation of those reactive oxygen species was actually higher in absence of Al and that it was similar in presence of Al for tolerant genotypes, suggesting that cell division was less affected in those genotypes. Al tolerant genotypes were characterized by minor disturbances in primary metabolism (i.e. photosynthesis and respiration) while the sensitive genotypes, with little if any OA exudation, were characterized by Al-damage effects (i.e. root and shoot growth) since the first hours of Al exposure. Although our findings indicate that different organs of the same species can present distinct Al resistance and/or tolerance mechanisms they were collectively able to provide a better understanding of the mechanisms used by maize genotypes to avoid or to minimize Al toxicity. Keywords: Citrate exudation. Abiotic stress. Root growth. ZmMATE1O milho (Zea mays) é uma das principais culturas cultivadas no mundo, com vários usos, incluindo alimentação animal, consumo humano e produção de etanol, sendo cultivado principalmente em regiões tropicais e subtropicais, onde os solos ácidos são predominantes. Nesses solos ácidos, a toxicidade provocada pelo alumínio (Al), em especial o Al 3+ , é o principal fator que limita a produção agrícola. Nesse contexto, estratégias visando o desenvolvimento de culturas resistentes ao estresse podem aumentar a capacidade produtiva e reduzir a perda na produção. A tolerância ao Al em milho tem sido associada à exsudação de ácidos orgânicos (AO), mediada principalmente pela família de transportadores MATE (MULTIDRUG AND TOXIC COMPOUND EXTRUSION). Sendo essa responsável pelo antiporte de AO/H + na membrana celular das raízes, exsudando citrato em resposta ao estresse por Al. Neste estudo, foram utilizados cinco genótipos derivados dos genótipos com tolerância intermediária ao Al (L3) e sensível (L53) com expressão diferencial do gene MATE que culminou com tolerância diferencial ao Al nesses genótipos. Dado que AO estão intimamente relacionados ao ciclo do ácido tricarboxílico, as consequências metabólicas dessa tolerância diferencial ao Al foram investigadas. Um maior teor de Al foi observado em amostras tratadas com Al em todos os genótipos comparado com seus respetivos controles. Vale ressaltar que plântulas tratadas com Al de genótipos tolerantes apresentaram um maior aumento nos níveis de Al do que as plântulas sensíveis. Este fato à parte, foi observado maior acúmulo de Al nas raízes dos genótipos com menor exsudação de AO. Além disso, essa mudança na absorção e transporte de Al também leva a mudanças significativas nos conteúdos de elementos minerais, incluindo cálcio e magnésio. A avaliação histoquímica do peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) e superóxido (O 2- ) nas raízes indica que o acúmulo dessas espécies reativas de oxigênio foi mais alto na ausência de Al. Resultado que foi semelhante em presença de Al para genótipos tolerantes, sugerindo que a divisão celular foi menos afetada nesses genótipos. Além disso, os genótipos tolerantes foram caracterizados por pequenos distúrbios no metabolismo primário (i.e. fotossíntese e respiração), enquanto os genótipos sensíveis, com pouca ou nenhuma exsudação de AO, foram caracterizados por danos (afetando crescimento radicular) desde a primeiras horas de exposição ao Al. Embora nossos resultados indiquem que diferentes órgãos da mesma espécie podem apresentar mecanismos distintos de resistência e/ou tolerância ao Al, eles coletivamente foram capazes de fornecer um melhor entendimento dos mecanismos utilizados pelos genótipos de milho para evitar ou minimizar a toxicidade do Al. Palavras-chave: Exudação de citrato. Estresse abiótico. Crescimento radicular. ZmMATE1