Importância fisiológica do catabolismo de lisina durante estresse salino em Arabidopsis thaliana

Abstract

Solos salinos, aquele em que as concentrações de sal excedem à 10 mM de cloreto de sódio (NaCl), geram danos significativos que afetam o crescimento e desenvolvimento de cultivos agrícolas. A ocorrência de solos salinos é comum em regiões áridas e semi-áridas. No entanto, áreas agricultáveis podem sofrer com a salinização onde, em conjunto com um sistema de drenagem natural ou artificial ineficaz, a água de irrigação, ainda que de boa qualidade, pode gerar o acúmulo de sal na rizosfera. Os impactos em plantas causados pelo excesso de sal nos solos culminam em (i) estresse osmótico que reduz o potencial hídrico do solo, dificultando a obsorção de água pelas raízes, e (ii) desbalanço iônico celular caso altas concentrações de Na + ou Cl - forem absorvidos. Em conjunto, os danos causados pela presença de altas concentrações de NaCl na solução do solo diminuem a absorção de água e nutrientes, interferindo em processos metabólicos importantes como fotossíntese e respiração. Cumpre ressaltar que as mitocôndrias de plantas desempenham deversas funções importantes para o metabolismo vegetal e, em condições de estresse salino, a geração de energia mediada pelo ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA) e pela cadeia transportadora de elétrons mitocondrial (mETC) são afetados pelo déficit de carboidratos provenientes da fotossíntese. Nesse contexto, vias alternativas da respiração são induzidas fornecendo elétrons para mETC e compostos intermediários para o ciclo do TCA. Estudos recentes mostram que a degradação de proteínas e catabolismo de aminoácidos podem gerar incrementos nas taxas respiratórias em condições de escassez de carbono. Tanto a biossíntese quanto o catabolismo de lisina apresentam uma estreita ligação com o metabolismo energético em especial com o ciclo do TCA. Dessa forma, o presente trabalho buscou investigar o papel da lisina nas respostas fisiológicas e metabólicas em resposta ao estresse salino. Para tanto, os impactos ocasionados ao crescimento e metabolismo foram analisados em mutantes na biossíntese de lisina fornecendo evidências fenotípicas e fisiológicas da importância de lisina para uma maior tolerância ao estresse salino em Arabidopsis thaliana. Plântulas de Arabidopsis com redução da atividade da enzima L,L-diaminopimelato aminotransferase (dapat) mostraram uma maior sensibilidade ao estresse salino quando comparadas ao seu tipo selvagem, apresentando baixa germinação de sementes em todos tratamentos com estresse salino, enquanto mutantes para a dihidropicolinato sintase (dhdps-2) apresentaram maior tolerância ao estresse salino. Além disso, foi observado em todos genótipos reduções progressivas nos valores da eficiência fotoquímica máxima do fotossistema II (F v /F m ) ocorrendo de forma mais acelerada quando submetidas a 150 mM de NaCl. Concomitantemente, diminuições nos teores de clorofila total e na razão clorofila a / clorofila b foram observadas. Não obstante, o estresse salino induziu o acúmulo de aminoácidos totais, bem como diminuições nas concentrações de proteínas totais e amido. Assim, é plausível sugerir que outros compostos, que podem atuar como osmorreguladores, tiveram papel importante nas respostas aqui observadas. Os resultados apresentados demonstram a importância de lisina como um substrato alternativo para manutenção da homeostase celular em condições de estresse salino.

Saline soils, those in which salt concetrations exceed 10mM sodium chloride (NaCl), are common in arid and semi-arid regions and cause significant damage impacting growth and development of crops. The impacts caused in plants by soils salinity culminate in (i) osmotic stress that reduces soil water potential difficulting root water absorption; and (ii) cellular ionic unbalance when high concentrations of Na+ or Cl- are absorbed. Taken together, the damage caused by the presence of high concentrations of NaCl in the soil solution decreases the absorption of water and nutrients, impacting important metabolic processes such as photosynthesis and respiration. It should be noted that plant mitochondria plays important roles in metabolism in general and that under salt stress energy generation mediated by the tricarboxylic acid (TCA) cycle and the mitochondrial electron transport chain (mETC) are affected by an insufficiente carbohydrate production from photosynthesis. In this context, alternative respiration pathways are induced providing both electrons to the mETC and intermediate compounds to the TCA cycle. It has been recently shown that protein degradation and amino acid catabolism, mediated by alternative pathways of respiration, can enhance respiratory rates in plants submitted to carbon starvation conditions. Both biosynthesis and catabolism oflysine are close associatied with energy metabolism, especially with the TCA cycle. Thus, the objective of this work was to investigate the role of lysine on the physiological and metabolic responses of plants submitted to salinity. To this end, the impact of salt stress on growth and metabolism of mutants in lysine biosynthesis were analyzed. The results obtained demonstrate the importance of lysine to increase salt tolerance in Arabidopsis thaliana. Seedlings of Arabidopsis with reduced activity of the enzyme L,L-diaminopimelate aminotransferase (dapat) showed higher sensitivity to salt stress when compared to wild type presenting also lower seed germination in all salt treatments, whilst mutants of dihydropicolinate synthase (dhdps-2) showed greater tolerance to salt stress. Moreover, all genotypes were characterized by progressive reductions in the maximum photochemical efficiency values of photosystem II (Fv/Fm) that occurs more rapidly in plants submitted to 150 mM NaCl. Concomitantly, decreasde total chlorophyll content and chlorophyll a / chlorophyll b ratio were observed. Notwithstanding, saline stress induced not only total amino acid accumulation but also reduced total protein and starch concentrations. Thus, it is seems reasonable to suggest that other compounds can act as osmoregulators and played an important role in the responses observed. The results presented demonstrate the importance of lysine as an alternative substrate for the maintenance of cellular homeostasis under salt stress conditions.