Insights on plant responses to abiotic stressors: copper and drought tolerance in Bixa orellana and Populus × canescens

Abstract

Human activities such as mining, industrial emissions have contributed to large soil contamination by heavy metals and increased frequency of extreme drought events. Investigating how plants respond to these abiotic stresses is an essential tool for the development of sustainable mitigation strategies. This study examines two contrasting environmental stresses, copper toxicity and water deficit, through experimental studies focused on the morphoanatomical, biochemical and physiological responses of plants. In the first study, Bixa orellana seedlings were cultivated in soil amended with copper at concentrations of 0, 100, 200 and 400 mg/kg. The aim was to assess their phytoextraction potential, as well as their structural and metabolic responses to excess copper. Copper was mainly retained in roots, with no significant translocation to shoots or reduction in biomass. Increases in pigment content were observed at higher concentrations, and anatomical analyses showed alterations such as xylem vessel deformation, trichome collapse, cell hyperplasia and collapse, and phenolics accumulation in leaves. These results indicate that B. orellana possesses strategies to tolerate copper toxicity, and it is not an accumulator species. The second study focused on drought response in genetically modified Populus × canescens lines overexpressing the ScWS and MaFAR genes, both involved in the wax biosynthesis pathway. Plants were grown under well-watered and drought conditions for 16 days, and physiological and growth parameters were evaluated. The transgenic lines displayed reduced gas exchange in both treatments but showed improved water-use efficiency under drought. Although they exhibited reduced height and stem diameter compared to the wild type, no differences were detected on dry biomass. These findings suggest that upregulation of wax biosynthesis may contribute to drought tolerance by limiting water loss, but trade-offs could occur in other parameters. Together, these findings provide valuable information on plant strategies under distinct types of abiotic stress and highlight both the potential and the limitations of using native species in phytoextraction and genetic engineering approaches for drought stress tolerance. Keywords: abiotic stress; morphoanatomy; copper; drought

Atividades antropogênicas como mineração e emissões industriais têm contribuído significativamente para a contaminação de solos por metais pesados e para o aumento na frequência de eventos de seca extrema. Investigar como as plantas respondem a esses estresses abióticos é uma ferramenta essencial para o desenvolvimento de estratégias sustentáveis de mitigação. Este estudo avalia dois tipos de estresses ambientais, toxicidade por cobre e seca, por meio de experimentos focados nas respostas morfoanatômicas, bioquímicas e fisiológicas das plantas. No primeiro estudo, mudas de Bixa orellana foram cultivadas em solo contaminado por cobre nas concentrações de 0, 100, 200 e 400 mg/kg. O objetivo foi avaliar seu potencial fitoextrator, bem como as respostas estruturais e metabólicas ao excesso de cobre. O cobre foi retido principalmente nas raízes, sem translocação para a parte aérea ou redução na biomassa. Houve aumento no teor de pigmentos em concentrações mais elevadas, e as análises anatômicas revelaram alterações como deformação das paredes dos elementos de vaso do xilema, colapso de tricomas, hiperplasia e colapso de células, e acúmulo de fenólicos nas folhas. Esses resultados indicam que B. orellana possui estratégias eficientes na tolerância a toxicidade por cobre, embora não seja uma espécie acumuladora. O segundo estudo investigou a resposta à seca em linhagens geneticamente modificadas de Populus × canescens, superexpressando os genes ScWS e MaFAR, ambos envolvidos na via de biossíntese de cera. As plantas foram cultivadas em condições ideais de irrigação e de seca por 16 dias, e parâmetros fisiológicos e de crescimento foram avaliados. As linhagens transgênicas apresentaram trocas gasosas reduzidas em ambos os tratamentos, mas demonstraram maior eficiência no uso da água sob estresse hídrico. Apesar da redução na altura e no diâmetro do caule em comparação ao tipo selvagem, não foram observadas diferenças na biomassa seca. Esses resultados sugerem que a regulação positiva da biossíntese de cera pode contribuir para a tolerância à seca por limitação da perda de água, embora possam ocorrer trade-offs em parâmetros de crescimento. Em conjunto, os resultados fornecem informações valiosas sobre as estratégias adaptativas de plantas sob diferentes tipos de estresse abiótico e destacam o potencial e as limitações do uso de espécies nativas em fitorremediação e do uso de engenharia genética para aumento da tolerância à seca. Palavras-chave: estresse abiótico; morfoanatomia; cobre; seca