Aspectos fisiológicos, metabólicos e anatômicos associados à tolerância ao alumínio em Solanum lycocarpum

Abstract

O constante aumento da população resulta em um crescimento na demanda mundial de alimentos exigindo, portanto, maior produtividade agrícola. Não obstante, a expansão na utilização de terras para cultivo agrícola apresenta limitações em razão das propriedades do solo, principalmente em regiões tropicais e subtropicais, onde solos ácidos (pH<5,0) são predominantes, resultando na redução de áreas potencialmente aráveis. O alumínio (Al), elemento metálico mais abundante na crosta terrestre, é um dos principais problemas em solos ácidos ao adquirir configurações tóxicas para as plantas, em especial na forma de Al3+, resultando em rizotoxicidade e afetando o crescimento e desenvolvimento. Neste estudo, buscou- se elucidar os mecanismos envolvidos na tolerância ao Al observados em Solanum lycocarpum, espécie distribuída em regiões de Cerrado e Mata Atlântica no Brasil e encontrada em solos pobres, com elevada acidez e saturados por Al. Os resultados obtidos demonstraram que a adição de Al no meio de crescimento não promoveu inibição do crescimento, considerando a similaridade fenotípica entre os tratamentos. Além disso, parâmetros biométricos, fotossintéticos e fotoquímicos não foram também reduzidos após a exposição ao Al, sugerindo a presença de mecanismos de tolerância em S. lycocarpum. Em relação às características anatômicas, nenhuma alteração foi observada em folhas de plantas expostas ao Al, embora o ápice radicular apresentou certo grau de desorganização na região da coifa. Mediante avaliações histoquímicas foi possível identificar que o acúmulo de Al nas raízes ocorreu parcialmente na região do núcleo de células meristemáticas. Foi verificado, ainda, um acúmulo de açúcares solúveis, bem como prolina, nas raízes de plantas submetidas ao estresse por Al, evidenciando que o reajuste do metabolismo primário é um importante mecanismo para maior tolerância ao Al. Foi verificada também uma redução na concentração de malato e fumarato em folhas na presença do Al, o que sugere um aumento na complexação do Al para compartimentalização em estruturas foliares como vacúolos e tricomas. Tomados em conjunto, os resultados aqui obtidos fornecem indícios de que S. lycocarpum apresenta elevada tolerância ao Al, possivelmente devido à combinação de mecanismos de exclusão e tolerância interna, sendo uma excelente espécie modelo para o processo de domesticação de novo. Palavras-chave: solos ácidos; rizotoxicidade; domesticação de novo.The constant increase in population has led to a growing global demand for food, requiring higher agricultural productivity. However, the expansion of land use for agricultural cultivation is constrained by soil properties, specially in tropical and subtropical regions where acidic soils (pH < 5.0) are predominant, therefore resulting in a reduction of potentially arable areas around the world. Aluminum (Al) is the most abundant metallic element in the Earth's crust and it is a major issue in acidic soils where it can forms toxic compounds for plants, particularly as Al³?, which leads to rhizotoxicity and affect growth and development. This study aimed to elucidate the mechanisms underlying Al tolerance observed in Solanum lycocarpum, a species distributed across the Cerrado and Atlantic Forest regions of Brazil and commonly found in poor, highly acidic, and Al-saturated soils. The results indicated that the addition of Al did not inhibit S. lycocarpum growth, as evidenced by the phenotypic similarity between treated and control plants. Additionally, biometric, photosynthetic, and photochemical parameters were not adversely affected by Al, suggesting the presence of robust tolerance mechanisms in S. lycocarpum. Regarding anatomical characteristics, no significant changes were observed in the leaves of plants exposed to Al, although the root apex exhibited some degree of disorganization in the root cap region. Interestingly, histochemical studies revealed that Al present in the roots accumulated, at least partially, in the nuclei of meristematic cells. A greater accumulation of soluble sugars and proline was also observed in the roots of plants subjected to Al stress, suggesting that adjustment of primary metabolism is an important mechanism for enhanced tolerance. In terms of organic acid levels, a reduction in malate and fumarate concentrations was observed in the leaves in the presence of Al, which may be attributed to increased Al complexation for compartmentalization in structures such as vacuoles and trichomes. Collectively, our findings suggest that S. lycocarpum exhibits significant Al tolerance, possibly due to a combination of exclusion mechanisms and internal tolerance strategies, making it an excellent model species for the de novo domestication. Keywords: acidic soils; rhizotoxicity; de novo domestication.