How does autophagy modulate heat stress and drought responses during reproductive development?

Abstract

The increasing frequency and intensity of extreme climatic events, such as prolonged warming and drought, represent major threats to global agricultural productivity. Among the cellular mechanisms involved in plant adaptation to these stresses, autophagy plays a pivotal role by mediating the selective degradation and recycling of damaged proteins and organelles, thereby contributing to the maintenance of cellular and metabolic homeostasis. Although the importance of autophagy during vegetative growth has been extensively investigated, its role in coordinating physiological and metabolic responses during reproductive development remains poorly understood. In this study, we investigated how autophagy modulates plant responses to (i) prolonged warming and (ii) drought stress during the reproductive stage of Arabidopsis thaliana. To this end, wild-type (WT) plants and the autophagy deficient mutants atg5-1 and atg7-2 were exposed to prolonged warming and drought during reproductive development. In response to prolonged warming, autophagy was rapidly induced, reaching maximum activity on the third day of stress. Autophagy deficiency accelerated leaf senescence, disrupted redox homeostasis, promoted higher accumulation of the heat shock protein HSP101, caused profound alterations in primary metabolism, and impaired post-stress metabolic recovery. Moreover, the mutants exhibited reduced male fertility, decreased seed production, and altered seed reserve composition during seed filling. Under drought conditions, although all genotypes exhibited similar reductions in relative water content, the autophagy- deficient mutants displayed more severe leaf senescence, greater degradation of photosynthetic pigments, and pronounced alterations in carbohydrate, amino acid, and organic acid metabolism. These metabolic disturbances disrupted source–sink relationships, leading to reduced pollen viability, fewer siliques, and lower seed production. Despite the reduced reproductive output, the seeds that successfully developed maintained their physiological quality, exhibiting germination comparable to that of WT plants while displaying changes in reserve distribution and accumulation, suggesting preferential allocation of available resources to a smaller number of seeds. Collectively, these findings demonstrate that autophagy may play a central role in plant adaptation to prolonged warming and drought by maintaining redox homeostasis, energy metabolism, and carbon and nitrogen remobilization. Furthermore, they reveal that autophagy could integrate leaf senescence, source–sink regulation, and reproductive development, thereby sustaining fertility and productivity under adverse environmental conditions. This work advances our understanding of the physiological and metabolic mechanisms through which autophagy enhances plant tolerance to abiotic stresses and provides a foundation for future strategies aimed at improving crop resilience under changing climatic conditions. Nevertheless, further studies are required to elucidate the molecular mechanisms underlying autophagy mediated stress adaptation and to determine how and to what extent, this metabolic and molecular reprogramming modulates plant responses to prolonged warming and drought during reproductive development. Keywords: drought; metabolism; prolonged warming; reproductive development; senescence.O aumento da frequência e da intensidade de eventos climáticos extremos, como ondas de calor e déficit hídrico, representa uma das principais ameaças à produtividade agrícola mundial. Entre os mecanismos celulares envolvidos na adaptação das plantas a esses estresses, a autofagia destaca-se por promover a degradação seletiva e a reciclagem de proteínas e organelas danificadas, contribuindo para a manutenção da homeostase metabólica. Embora diversos estudos tenham demonstrado a importância da autofagia durante a fase vegetativa, seu papel na coordenação das respostas fisiológicas e metabólicas durante o desenvolvimento reprodutivo permanece pouco compreendido. Neste trabalho investigou-se como a autofagia modula as respostas ao (i) aquecimento prolongado e ao (ii) déficit hídrico durante a fase reprodutiva de Arabidopsis thaliana. Para isso, plantas do tipo selvagem e os mutantes deficientes em autofagia atg5-1 e atg7-2 foram submetidos ao aquecimento prolongado e ao déficit hídrico durante o desenvolvimento reprodutivo. Em resposta ao aquecimento prolongado, a autofagia foi rapidamente induzida, apresentando pico de atividade no terceiro dia de estresse. A deficiência autofágica promoveu aceleração da senescência foliar, alterações na homeostase redox, maior acúmulo da proteína HSP101, modificações profundas no metabolismo primário e comprometimento da recuperação metabólica após o estresse. Além disso, os mutantes apresentaram alterações na fertilidade masculina, redução na produção de sementes e mudanças na composição das reservas acumuladas durante o enchimento das sementes. Sob déficit hídrico, embora todos os genótipos apresentassem redução semelhante no conteúdo relativo de água, os mutantes deficientes em autofagia exibiram senescência foliar mais intensa, maior degradação de pigmentos fotossintéticos e profundas alterações no metabolismo de carboidratos, aminoácidos e ácidos orgânicos. Essas alterações comprometeram a relação fonte-dreno, reduzindo a viabilidade do pólen, o número de siliquas e a produção total de sementes. Apesar da menor produção, as sementes remanescentes mantiveram sua qualidade fisiológica, apresentando germinação semelhante à do tipo selvagem e alterações na distribuição e no acúmulo de reservas, indicando um redirecionamento preferencial dos recursos para um número reduzido de sementes. Coletivamente, os resultados demonstram que a autofagia pode exercer um papel central na adaptação das plantas ao aquecimento prolongado e ao déficit hídrico, atuando na manutenção da homeostase redox, do metabolismo energético e da remobilização de carbono e nitrogênio. Além disso, evidenciam que a autofagia pode integrar os processos de senescência foliar, metabolismo fonte-dreno e desenvolvimento reprodutivo, assegurando a fertilidade e a produtividade sob condições ambientais adversas. Este trabalho amplia o conhecimento sobre os mecanismos fisiológicos e metabólicos pelos quais a autofagia contribui para a tolerância a estresses abióticos, fornecendo bases para futuras estratégias de desenvolvimento de culturas mais resilientes às mudanças climáticas. Trabalhos futuros serão ainda necessários para esclarecer como e em que extensão essa aparente reprogramação metabólica e molecular modula as respostas vegetais ao calor e a seca durante o desenvolvimento reprodutivo. Palavras-chave: calor prolongado; desenvolvimento reprodutivo ; metabolismo; seca; senescência.