Caracterização funcional do gene OsGPX3 que codifica uma glutationa peroxidase mitocondrial em arroz

Abstract

O arroz (Oryza sativa) é uma das espécies mais importantes do mundo e um excelente modelo para entender a interação entre genes e as mudanças ambientais. Entretanto, sua produtividade é comumente desafiada por muitos estresses, como os abióticos e oxidativos. As glutationa peroxidases (GPXs) fazem parte do mecanismo pelo qual as plantas lidam com o estresse oxidativo. GPXs podem controlar a equilíbrio redox atuando também na sinalização celular. Neste trabalho investigou-se o papel do gene GPX3 de arroz em resposta ao estresse salino, usando plantas RNAi com o gene OsGPX3 silenciado (GPX3s). Os resultados indicam que essas plantas são mais sensíveis à salinidade, mostrando menor biomassa, assimilação de CO2, condutância estomática e pressão parcial intercelular de CO2. Plantas GPX3s também apresentaram significantes danos na atividade do fotossistema II e declínio no conteúdo de clorofila. O estresse salino induziu acúmulo de espécies reativas de oxigênio (ERO) em ambas plantas, NT (não transformadas) e GPX3s, indicando que a sensibilidade das plantas GPX3s ao sal não é devida à uma significante deficiência no equilíbrio redox. Para elucidar as rotas reguladas por OsGPX3, utilizou-se a técnica de proteômica livre de marcação, comparando plantas NT e GPX3s. Plantas GPX3s apresentaram alterações na abundância de proteínas relacionadas com resposta ao ABA e processos epigenéticos. RT-qPCR e coloração usando linhagens repórter mostraram que o gene OsGPX3 é induzido pelo tratamento com ácido abscísico (ABA), sugerindo que esse gene pode desempenhar um importante papel na via de sinalização do ABA. A aplicação exógena de ABA não inibiu a germinação das sementes, tampouco induziu acumulação de ERO e o fechamento estomático em GPX3s. Ademais, GPX3s e NT apresentaram fenótipo similar ao de plantas submetidas ao estresse de seca. Entretanto, GPX3s foram mais sensíveis à indução da senescência no escuro promovida por ABA. Esse trabalho fornece importantes informações sobre a interrelação entre cloroplastos e mitocôndrias, mostrando a importância da proteína GPX3 na aquisição da tolerância à salinidade em arroz via mecanismos independente da acumulação de ERO. Além disso, é um estudo pioneiro demonstrando o papel do OsGPX3 na sinalização do ABA, corroborando com o fato de enzimas antioxidantes agirem em diferentes e complexas vias nas células.

Rice is one of the world’s most important crops and an excellent model system for understanding the interaction between genes and environmental changes. However, its productivity is often challenged by stresses, as abiotic and oxidative. Glutathione peroxidases (GPXs) are part of the mechanism by which plants cope with oxidative stress. GPXs can control redox homeostasis and also play a role in redox signaling. Here, we investigated the rice GPX3 role in plant responses to salt stress using OsGPX3-RNAi silenced rice plants (GPX3s). Results indicate that GPX3s plants are more sensitive to salinity showing decreased biomass, CO2 assimilation rate, stomatal conductance, and intercellular CO2 partial pressure. These plants also present significant damage to photosystem II activity and decline in chlorophyll content. Salt stress induced ROS accumulation in both non-transformed (NT) and GPX3s plants, indicating that GPX3s sensibility to salt stress was not due to the significant impairment in redox equilibrium. To elucidate the routes regulated by OsGPX3 we performed a proteomic approach comparing NT and GPX3s. The GPX3s plants presented altered the abundance of proteins involved in abscisic acid (ABA) response and epigenetic processes. RT-qPCR and GUS-staining using reporter gene lines to GPX3 promoter showed that OsGPX3 is induced by ABA treatment, suggesting that this gene could be important in ABA pathway. The analysis of ABA-related responses showed that ABA is unable to inhibit seed germination, ROS accumulation and stomata closure in GPX3s plants. GPX3s and NT plants presented similar phenotype under drought stress. However, GPX3s were more sensitive to dark-induced senescence after ABA treatment compared with NT plants. Together, this work provides new light into the cross-talk between chloroplasts and mitochondria, showing GPX3 protein importance in rice to achieve salt stress tolerance via an ROS-accumulation independent mechanism, not acting as the major ROS-scavenger enzyme. Moreover, it also suggests a novel role to this enzyme beyond its role as ROS-scavenger, as a signaling compound. This is a pioneer study demonstrating that OsGPX3 play a role in ABA signaling and corroborate that redox homeostasis enzymes can act in different and complex pathways in plants cells.