Understanding plant stress responses at the celullar level

Abstract

Drought and salt stress poses one of the greatest challenges to sustainable agricultural production in the 21st century. Here, using transgenic lines of Arabidopsis thaliana expressing the constructs p35S:GFP-FLAG-RPL18 and pKAT:GFP-FLAG- RPL18, we analyzed the global and guard cell-specific translatome to refine our understanding of plant responses to moderate drought and salt stress. Mesophyll cells, which constitute the majority of leaf volume, prioritized ABA accumulation, osmoprotection, CO2 circulation through anaplerotic pathways, starch biosynthesis, and amino acid oxidation to supply energy and regulate stomatal signaling. Additionally, we suggest a link between ABA signaling and starch biosynthesis - two drivers of stomatal closure - to balance plant growth and stress responses. Guard cells focused on reducing water vapor loss through transpiration by promoting stomatal pore closure. This involved sucrose signaling, starch biosynthesis, organic acid-mediated stomatal movement regulation (notably by malate and fumarate), and anion efflux channel activity. Furthermore, the oxidation of amino acids related to energy metabolism and stomatal movement was observed. Salt stress reduced growth and altered chlorophyll a fluorescence parameters without impairing the photochemical activity of photosynthesis. Additionally, it induced stomatal closure through an ABA-independent mechanism, without compromising photosynthesis. Both mesophyll and guard cells accumulated osmoregulatory compounds in response to the osmotic stress caused by high NaCl concentrations. Metabolite levels associated with the TCA cycle decreased in both cell types under stress. Essential amino acids, such as those involved in the alternative respiratory pathway (branched-chain amino acids) and photorespiration (glutamate, glycine, and serine), predominantly accumulated in mesophyll cells during salt stress. In mesophyll cells, increased expression of genes involved in photosynthesis, cytosolic malate metabolism, the TCA cycle, and amino acid catabolism reflected pronounced metabolic and molecular adjustments to mitigate the effects of high NaCl concentrations. In guard cells, the increased expression of genes related to amino acid metabolism highlighted the critical role of these metabolites under high salinity. By combining physiological and metabolic analyses with cell-specific molecular responses, we offer a higher-resolution understanding of the regulatory mechanisms underlying plant acclimation to water deficit and salt stress. These findings enable more targeted strategies to enhance crop water- use efficiency without compromising sustainable agricultural production and global food security. Keywords: aba, amino acids, guard cells, malate, mesophyll cells, moderate drought, osmolytes, photosynthesis, salinity, starch, sugars, tca cycle, translatome.A seca e o estresse salino impõem um dos maiores desafios para a produção agrícola sustentável no século XXI. Aqui, utilizando linhas transgênicas de Arabidopsis thaliana expressando as construções p35S:GFP-FLAG-RPL18 e pKAT:GFP-FLAG-RPL18, nós fomos capazes de ingressar o translatoma global e células-guarda-específico para refinar o entendimento das respostas durante a seca moderada e o estresse salino. As células mesofílicas, que representam a maior parte do volume foliar, priorizaram o acúmulo de ABA, a osmoproteção, a circulação de CO2 através de rotas anapleróticas, a biossíntese de amido e a oxidação de aminoácidos comprometidos com o fornecimento de energia e com a sinalização estomática. Ademais, nós sugerimos uma comunicação entre a sinalização de ABA e a biossíntese de amido, dois estímulos de fechamento estomático, para ajustar o balanço entre crescimento vegetal e respostas ao estresse. As células-guarda priorizaram a redução da perda de vapor de água através do processo transpiratório ao promover o fechamento do poro estomático. Para isso, a sinalização de sacarose, a biossíntese de amido, a regulação dos movimentos estomáticos mediada por ácidos orgânicos, especialmente malato e fumarato, e a atividade de canais de efluxo de ânions estiveram envolvidas. Além disso, a oxidação de aminoácidos relacionados ao metabolismo energético e aos movimentos estomáticos foi observada. O estresse salino reduziu o crescimento, alterou os parâmetros de fluorescência da clorofila a, sem prejuízo sobre a atividade fotoquímica da fotossíntese, e induziu o fechamento estomático através de um mecanismo independente de ABA, sem comprometer a fotossíntese. Células mesofílicas e células-guarda acumularam osmoreguladores em resposta ao estresse osmótico resultante da alta concentração de NaCl. O conteúdo de metabólitos associados ao ciclo TCA reduziu em ambos os tipos celulares durante o estresse. Aminoácidos essenciais, como aqueles envolvidos na via respiratória alternativa (BCAA) e na fotorrespiração (glutamato, glicina e serina), acumularam principalmente nas células mesofílicas sob estresse salino. Nas células mesofílicas, o aumento na expressão de genes envolvidos na fotossíntese, metabolismo citosólico de malato, ciclo TCA e catabolismo de aminoácidos reflete uma adaptação metabólica e molecular acentuada para combater os efeitos provocados pela concentração elevada de NaCl. Nas células-guarda, a maior expressão de genes ligados ao metabolismo de aminoácidos reflete um papel importante desses metabólitos durante a alta salinidade. Dessa forma, ao combinarmos as análises fisiológicas e metabólicas às respostas moleculares ao nível célula-específicas, nós fornecemos uma maior resolução no que tange ao entendimento dos mecanismos regulatórios subjacentes à aclimatação das plantas cultivadas sob deficit hídrico e estresse salino, o que nos torna capazes de implementar estratégias mais assertivas para aumentar a eficiência de uso da água das culturas sem comprometer a produção agrícola sustentável e a segurança alimentar global. Palavras-chave: aba, açúcares, amido, aminoácidos, células-guarda, células mesofílicas, ciclo tca, fotossíntese, malato, osmólitos, salinidade, seca moderada, translatoma.