Tolerância diferencial ao alunínio em soja : um estudo sobre o possível envolvimento de aquaporinas

Abstract

A acidez do solo, relacionada principalmente aos níveis de alumínio, afeta o rendimento da produção agrícola, com o efeito principal sendo a redução do crescimento da raiz da planta. A tolerância ao alumínio varia entre diferentes espécies vegetais, podendo estas serem classificadas como tolerantes, intermediárias ou sensíveis. O mecanismo molecular envolvido nessa tolerância diferencial ao alumínio ainda não foi totalmente esclarecido. Dados obtidos em centeio indicaram a possibilidade de haver uma relação entre a expressão de aquaporinas (AQPs) nas raízes das plantas e a tolerância à toxidez do alumínio. AQPs são proteínas de membrana envolvidas no transporte de água e pequenos solutos através da membrana. Em plantas, as AQPs então envolvidas, além do transporte de água, na absorção de nutrientes e na fixação de carbono e nitrogênio. AQPs são altamente expressas durante o processo de alongamento celular, provocando o rápido influxo de água o vacúolo, gerando a pressão de turgor que direciona o alongamento celular. Análises do genoma de soja (Giycine max) indicaram a presença de pelo menos 58 genes de AQPs diferentes. Este projeto tem como objetivo identificar a expressão dos genes de AQPs presentes na raiz de cultivares de soja com tolerância distinta ao alumínio, e estabelecer uma relação entre os níveis de expressão dos genes que codificam AQPs e a tolerância diferencial ao alumínio. Sementes de duas cultivares tolerantes (Conquista e Williams) e duas sensíveis (IAS-5 e ENGOPA 313) foram germinadas em papel filtro e, após 3-4 dias, as plântulas foram transferidas para tubos contendo solução nutritiva. Após 96 h na solução, as plântulas foram tratadas com 3 11M de alumínio e mantidas por 6 ou 24 h. Após o tratamento com alumínio, as plantas foram coletadas e o RNA foi extraído da raiz, seguido pela síntese de cDNA. O mesmo procedimento foi realizado com as plantas não tratadas (controle). A técnica de RT-PCR foi usada para identificar os genes de AQPs presentes na raiz dos diferentes cultivares. Em um primeiro momento, foram desenhados primers para 40 genes de AQPs e usados no RT-PCR. Os genes de AQP que apresentaram perfil de expressão distinto comparado com o controle foram analisados por qPCR. Cinco AQPs mostraram diferença significativa após o tratamento com alumínio. A caracterização funcional destes genes foi iniciada e a análise do gene TIP1;9 mostrou se tratar de uma aquagliceroporina. Os resultados obtidos neste estudo podem servir como ponto inicial para o desenvolvimento de abordagens para melhoramento de cultivares de plantas, especialmente de soja, uma planta com grande importância econômica mundial.

The acidity in the soil, mainly related to the leveis of aluminum, affects the yield in agricultura I production, with the main effect being the reduction of the plant root growth. Aluminum tolerance varies between different plant cultivars, which can be classified as tolerant, intermediate or sensitive. The molecular mechanisms involved in the differential tolerance to aluminum are not yet fully understood. Data obtained with rye indicate a possible relationship between the expression of aquaporins (AQPs) in plant roots and the tolerance to aluminum toxicity. AQPs are membrane proteins involved in the transport of water and small solutes across the membrane. In plants AQPs are involved, in addition to the transport water, in nutrient absorption, and fixation of carbon and nitrogen. AQPs are highly expressed during the cell elongation process, allowing the rapid influx of water into the vacuole, generating the turgor pressure that directs the cell elongation. Analysis of the soybean ( Glycine max) genome indicates the presence of at least 58 different AQP genes. This project aims to identify AQPs that are present in the roots of soybean cultivars with distinct tolerance to aluminum, and establish a relationship between the expression leveis of genes encoding AQPs and the difference in the tolerance to aluminum toxicity. Seeds from two tolerant soybean cultivars (Conquista and Williams) and two sensitive (IAS-5 and ENGOPA 313) were germinated on filter paper and, after 3-4 days, the seedlings were transferred to tubes containing a nutrient solution. After 96 h in the solution, plants were treated with AI 3 llM and maintained for another 6 or 24 h. After the aluminum treatment, plants were collected and RNA was isolated from the roots, followed by cDNA synthesis. The same procedure was performed with plants that were maintained in the nutrient solution without aluminum (control). The RT-PCR technique was used to identify the AQPs present in the roots of the different cultivars. In this first approach, primers for 40 AQPs were designed and used for the RT-PCR. Aquaporin genes that showed a distinct expression profile compared to the controls were further analyzed by real time PCR. From those AQPs analyzed, five showed relevant differences after the aluminum treatment. The functional characterization of these genes is under way, and the analysis of TIP1;9 gene indicated this is an aquaglyceroporin. The results obtained in this study may serve as the initial point for the development of new approaches to improve plant cultivars, especially soybean, a plant with high economic importance worldwide.