Aluminum: the unexpected ally of Borreria latifolia (Aubl). K. Schum. (Rubiaceae)

Abstract

Aluminum (Al) is a phytotoxic element for most crops. However, some species native to acidic soils accumulate large amounts of the metal without impairing their development. Borreria latifolia (Aubl.) K. Schum. (Rubiaceae) is a naturally occurring Al hyperaccumulator in the Cerrado. Some evidence points to positive effects of Al on this species. In this context, we investigated whether the development of B. latifolia depends on the presence and concentration of Al. In addition, the interaction between the metal and pH was also analyzed in plant growth. To this end, we conducted two experiments: I) plants grown in a hydroponic system under concentrations of 0, 250, 500, and 750 µM Al; II) factorial scheme of plant cultivation at two concentrations (0 or 750 µM Al) under three pH conditions (3.5, 4.5, and 5.5). Morphological, anatomical, ultrastructural, micromorphological, and biochemical analyses were performed. The 750 µM Al concentration at pH 4.5 provided the highest growth rates, while the absence of Al resulted in root apex necrosis and changes in the cells of the root meristematic region. On the other hand, in plants treated with Al, the metal was located in the nuclei in the meristematic region of the root and in the chloroplasts without any damage to the structures. Consequently, we understand that the absence of Al is a limiting factor for the development of B. latifolia. Considering these results, we proceeded to test the hypothesis of the essentiality of Al for this species. To be essential, in addition to the element being irreplaceable and the plant not completing its life cycle in the absence of the nutrient, it must be involved in the plant's metabolism. In this sense, we cultivated the plants in a hydroponic system under four treatments: I) absence (0 µM) or II) presence (750 µM) of Al for 57 days; III) absence of Al for 20 days, followed by addition of the metal (0 -> 750 µM Al) for another 37 days; and IV) presence of Al for 20 days, followed by deprivation of the metal (750 -> 0 µM Al) for another 37 days. Morphoanatomical, physiological, and biochemical analyses demonstrated that Al is indispensable for the development of B. latifolia. In the absence of the metal, the apical meristems died, inhibiting plant growth. No element considered essential provided the photosynthetic performance and antioxidant robustness of plants grown with Al. For the first time, we present the proteomic profile of the species, pointing out proteins exclusive to the 750 µM Al concentration, in addition to proteins positively regulated by the metal, essential for biological functions related to energy metabolism. Therefore, Al meets all the criteria of essentiality for B. latifolia. Keywords: Al hyperaccumulator; nuclear Al; Al responsive proteins; network topologyO alumínio (Al) é um elemento fitotóxico para a maioria das culturas. Entretanto, algumas espécies nativas de solos ácidos acumulam grandes quantidades do metal sem prejuízos no seu desenvolvimento. Borreria latifolia (Aubl.) K. Schum. (Rubiaceae) é uma herbácea hiperacumuladora de Al, de ocorrência natural no Cerrado. Algumas evidências apontam efeitos positivos do Al para essa espécie. Nesse contexto, investigamos se o desenvolvimento de B. latifolia depende da presença e da concentração de Al. Além disso, a interação entre o metal e o pH também foi analisada no crescimento das plantas. Com esta finalidade, conduzimos dois experimentos: I) plantas cultivadas em sistema de hidroponia sob as concentrações 0; 250; 500 e 750 µM de Al; II) esquema fatorial de cultivo das plantas em duas concentrações (0 ou 750 µM Al) em três condições de pH (3,5; 4,5; 5,5). Análises morfológicas, anatômicas, ultraestruturais, micromorfológicas e bioquímicas foram realizadas. A concentração 750 µM de Al em pH 4,5 proporcionou as maiores taxas de crescimento, enquanto a ausência de Al resultou em necrose do ápice radicular e alterações nas células da região meristemática radicular. Por outro lado, nas plantas tratadas com o Al, o metal foi localizado nos núcleos na região meristemática da raiz e nos cloroplastos sem qualquer dano às estruturas. Consequentemente, entendemos que a ausência de Al é um fator limitante para o desenvolvimento de B. latifolia. Considerando esses resultados, prosseguimos para testar a hipótese da essencialidade do Al para esta espécie. Para ser essencial, além do elemento ser insubstituível e a planta não completar seu ciclo de vida na ausência do nutriente, é preciso envolvimento no metabolismo do vegetal. Nesse sentido, cultivamos as plantas em sistema de hidroponia sob 4 tratamentos: I) ausência (0 µM) ou II) presença (750 µM) de Al por 57 dias; III) ausência de Al por 20 dias, seguido de adição do metal (0 -> 750 µM Al) por mais 37 dias e IV) presença de Al por 20 dias, seguido de privação do metal (750 -> 0 µM Al) por mais 37 dias. As análises morfoanatômicas, fisiológicas e bioquímicas demonstraram que o Al é indispensável para o desenvolvimento de B. latifolia. Na ausência do metal os meristemas apicais morreram, inibindo o crescimento da planta. Nenhum elemento considerado essencial proporcionou o desempenho fotossintético e a robustez antioxidante das plantas cultivadas com Al. De forma inédita, apresentamos o perfil proteômico da espécie, apontando proteínas exclusivas na concentração de 750 µM Al, além de proteínas reguladas positivamente pelo metal, essenciais para funções biológicas relacionadas ao metabolismo energético. Portanto, o Al cumpre todos os critérios de essencialidade para B. latifolia. Palavras-chave: hiperacumuladora de Al; Al nuclear; proteínas responsivas ao Al; topologia de rede