Enxofre e arsênio em Eichhornia crassipes (Mart) Solms: Metabolômica, fitohormônios, tióis e fitorremediação

Abstract

Plantas de Eichhornia crassipes foram sumetidas a uma privação de enxofre e um posterior reabastecimento com sulfato, quando foram então estressadas por arsenato. Buscou-se investigar como a oferta diferenciada de enxofre após uma restrição de enxofre em E. crassipes e a presença de arsênio afetam o seu crescimento, o acúmulo de arsênio e as interações com fitormônios na percepção e resposta ao estresse. Além disso, avaliou-se os efeitos da disponibilidade diferencial de enxofre sobre a acumulação de metabólitos, buscando identificar novos biomarcadores de stress, avaliando a interconecxão de respostas entre o metabolismo primário e secundário em folhas de aguapé, em busca de estratégias mais eficientes para a fitorremediação e tolerância ao metal. Plantas foram aclimatadas em solução nutritiva de Clarck por 7(sete) dias, contendo 1/4 da força iônica, com baixa disponibilidade de enxofre no meio (2,5μM SO 4 - 2 ), trocada a cada 48h. O MgCl 2 foi usado como fonte de magnésio em detrimento do MgSO 4 .Após esse período, foram transferidas para frascos de vidro contendo diferentes concentrações de enxofre em solução. No primeiro tratamento, 2,5μM SO 4 - 2 foram adicionados, já no segundo e terceiros, 200 e 600μM SO 4 - 2 , respectivamente. A esses tratamentos foram adicionados 8μM de arsenato (As(V)) por 24h, onde posteriormente o material foi coletado, e as análises processadas com auxílio de espectrometria de massas. A privação e posterior reabastecimento se mostrou uma estratégia extremamente eficaz quando se trata de novas possibilidades em programas de fitorremediação de arsênio usando a espécie, demonstrando inclusive que a maior oferta de enxofre no reabastecimento, potencializou a capacidade de acumulação do metal. A presença do metal afeta o crescimento vegetal, sendo que plantas cultivadas sobre baixa disponibilidade de enxofre, acumularam menores teores de metal, o que pode ter contribuído para um menor decréscimo em sua TCR. O acúmulo de cisteínas foi potencializado com a maior oferta de enxofre e acumulação de arsênio. Metabólitos responsivos aos diferentes tratamentos foram identificados com auxílio de diferentes técnicas de espectrometria de massas. Arsenato e a oferta diferenciada de enxofre induziram a uma reprogramação metabólica intensa em folhas de aguapé. Cerca de 111 metabólitos se mostraram significativos. Dentre eles, fitormônios como ácido abscísico, ácido jasmônico, citocininas, auxinas, ácido salicílico e o precursor do etileno, ACC. A análise de vias metabólicas afetadas mostra a complexidade de respostas e o papel fundamental que o metabolismo de aminoácidos, da glutationa e do ciclo do glioxilato tem na resposta ao estresse promovido pelo metal, atingindo em cheio o metabolismo energético, seja por alterações na fixação do carbono, seja pelo impacto gerado sobre o ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA). Após o reabastecimento de enxofre, plantas translocaram a maior parte do enxofre absorvido e do metal para a parte aérea, sendo que a bioacumulação foi maior em folhas crescendo em meio com maior oferta de enxofre (HS). Após a análise dos danos irreversíveis ao aparato respiratório e membranas celulares provocados pelo metal,a hipótese de que a maior oferta de enxofre em solução promove uma menor amplitude de danos celulares relacionados a morte celular pode ser confirmada.Além disso, diferentes grupos de metabólitos secundários respondem diferencialmente ao enxofre e arsênio, ajudando a compreender a reprogramação metabólica em folhas de aguapé.Plants of Eichhornia crassipes were sumetid to a sulfur deprivation and a later refueling with sulphate, when they were then stressed by arsenate. We sought to investigate how the differentiated supply of sulfur after a sulfur restriction in E. crassipes and the presence of arsenic affect its growth, the arsenic accumulation and the interactions with phytormons in the perception and response to stress. In addition, we evaluated the effects of differential sulfur availability on the accumulation of metabolites, seeking to identify new stress biomarkers, evaluating the interconnection of responses between primary and secondary metabolism in leaves of water hyacinth, in search of more efficient strategies for phytoremediation and metal tolerance. Plants were acclimatized in Clarck's nutrient solution for 7 (seven) days, containing 1/4 of the ionic strength, with low sulfur availability in the medium (2.5μM SO4-2), changed every 48h. MgCl2 was used as a source of magnesium over MgSO4. After that period, they were transferred to glass vials containing different concentrations of sulfur in solution. In the first treatment, 2.5μM SO4-2 were added, already in the second and third, 200 and 600μM SO4-2, respectively. To these treatments were added 8μM of arsenate (As (V)) for 24h, where later the material was collected, and the analyzes processed with the help of mass spectrometry. Deprivation and subsequent replenishment proved to be an extremely effective strategy when it comes to new possibilities in arsenic phytoremediation programs using the species, even showing that the higher supply of sulfur in the refueling, potentiated the accumulation capacity of the metal. The presence of the metal affects the vegetal growth, being that plants cultivated on low availability of sulfur, accumulated smaller contents of metal, which may have contributed to a smaller decrease in its TCR. The accumulation of cysteines was enhanced with the higher sulfur supply and arsenic accumulation. Metabolites responsive to different treatments were identified using different mass spectrometry techniques. Arsenate and the differentiated supply of sulfur induced intense metabolic reprogramming in leaves of water hyacinth. About 111 metabolites were significant. Among them, phytormons such as abscisic acid, jasmonic acid, cytokinins, auxins, salicylic acid and the precursor of ethylene, ACC. The analysis of the affected metabolic pathways shows the complexity of responses and the fundamental role that amino acid, glutathione and glyoxylate cycle metabolism play in the response to the stress promoted by the metal, reaching the energetic metabolism in full, either by changes in the fixation of the carbon, or the impact generated on the tricarboxylic acid (TCA) cycle. After sulfur replenishment, plants translocated most of the absorbed sulfur and metal to the aerial part, and the bioaccumulation was higher in leaves growing in medium with higher sulfur (HS). After the analysis of the irreversible damage to the respiratory tract and cell membranes provoked by the metal, the hypothesis that the greater sulfur supply in solution promotes a smaller amplitude of cellular damages related to cell death can be confirmed. In addition, different groups of secondary metabolites respond differentially to sulfur and arsenic, helping to understand the metabolic reprogramming in leaves of water hyacinth.