On the role of branched-chain amino acids in Arabidopsis thaliana subjected to water stress conditions

Abstract

Estudos recentes demonstram que o metabolismo vegetal e particularmente a respiração são alterados sob condições de estresses ambientais. Ademais, sob tais condições, vias alternativas são induzidas para suprir o processo respiratório com substratos alternativos. Uma dessas rotas envolve o complexo protéico flavoproteína de transferência de elétrons/ flavoproteína de transferência de elétrons oxidoredutase da ubiquinona (ETF/ETFQO), e é responsável pela doação alternativa de elétrons à cadeia de transporte mitocondrial. Abordagens recentes demonstraram que as enzimas desidrogenase do 2-hidroxiglutarato (D2HGDH) e desidrogenase do isovaleril-CoA (IVDH) atuam na doação de elétrons para o pool de ubiquinona via complexo ETF/ETFQO. Entretanto, o papel desempenhado por essa rota na resposta das plantas ao défice hídrico ainda não foi completamente elucidado. O presente trabalho fornece evidências fenotípicas, fisiológicas, metabólicas e moleculares de que vias alternativas respiratórias, e particularmente as enzimas ETFQO, IVDH e D2HGDH, desempenham um papel significativo nos mecanismos de tolerância à seca em Arabidopsis thaliana. As plantas mutantes etfqo-1, d2hgdh-2 e ivdh-1 mostraram-se mais sensíveis à seca em comparação ao tipo selvagem e aos mutantes superexpressando D2HGDH, apresentando sintomas de senescência mais acentuados, tais como murcha e clorose foliar. Além disso, foram observadas diminuições nos valores de alguns parâmetros relacionados à senescência nesses mutantes, tais como teor relativo de água, teores de clorofilas e eficiência fotoquímica máxima do fotossistema II. Plantas etfqo-1, d2hgdh-2 e ivdh-1 não conseguiram recuperar o crescimento vegetativo após a retomada da irrigação, indicando que o complexo ETF/ETFQO seria um importante mecanismo de resistência à seca. O défice hídrico induziu uma extensa reprogramação metabólica em todos os genótipos analisados, culminando com o aumento do teor de aminoácidos totais, bem como diminuições nos teores de proteínas, amido e nitrato. Em adição, o perfil metabólico permitiu a identificação de uma série de compostos envolvidos na tolerância ao défice hídrico. Particularmente, incrementos nos níveis de aminoácidos de cadeia ramificada (BCAA), isoleucina, leucina e valina, parecem estar relacionados ao aumento da utilização dos mesmos como fonte alternativa de elétrons para a cadeia de transporte mitocondrial, sob condições de estresse hídrico. Análises de expressão gênica, por sua vez, revelaram, simultaneamente, um inesperado baixo nível de fotorrespiração, bem como uma possível manutenção da operação do ciclo dos ácidos tricarboxílicos durante o estresse hídrico. Por fim, o complexo ETF/ETFQO, assim como o catabolismo de BCAA, parecem desempenhar um papel relevante nos mecanismos de tolerância ao estresses salino e osmótico em eventos germinativos em Arabidopsis. Em conjunto, esses dados indicam que o metabolismo mitocondrial alternativo pode ser altamente eficaz na tolerância à seca.