Caracterização de mecanismos envolvidos com a homeostase de espécies reativas de oxigênio na resposta de plantas a diferentes estresses

Abstract

As espécies reativas de oxigênio (ROS) são importantes moléculas sinalizadoras, ou mensageiros secundários, em uma complexa rede de sinalização, que em plantas, é fundamental para o desenvolvimento, e para a resposta a diferentes estímulos ambientais. Por outro lado, estas moléculas representam uma ameaça oxidativa à celula, e em altas concentrações podem danificar diferentes componentes celulares. Dessa forma, as vias de produção e eliminação de ROS devem ser finamente moduladas. Apesar destas vias terem sido amplamente estudadas, incontáveis aspectos ainda permanecem desconhecidos. Este trabalho objetivou estudar os mecanismos de geração e eliminação de ROS nas mitocôndrias e cloroplastos, e seus efeitos no desenvolvimento e na resposta de plantas ao estresse. Assim, foi demonstrado que a enzima succinato desidrogenase (SDH), correspondente ao complexo II da respiração, é um importante sítio de geração de ROS em células vegetais. Além disso, a manipulação da geração de ROS em organelas, como a mitocôndria e o cloroplasto, promoveu alterações claras no padrão de desenvolvimento e nas respostas de plantas a diferentes estresses. Enquanto a indução da geração mitocondrial de ROS via SDH inibiu o desenvolvimento e levou a ativação da expressão de genes de defesa. Por outro lado, alterações nas respostas antioxidantes no cloroplasto, via manipulação genética das ascorbato peroxidases cloroplastídicas (OsAPX7 e OsAPX8), embora tenham afetado em menor grau o desenvolvimento da planta, modularam os parâmetros fisiológicos e a resposta ao estresse. Desta forma, plantas de arroz silenciadas, ou nocaute, para a isoformas cloroplastídicas de APX apresentaram um padrão diferenciado de abertura estomática e tolerância ao estresse hídrico. Além disso, experimentos de monohíbrido permitiram a identificação dos fatores de trasncrição OsDST, OsABF7, Os11g28270 e OsVOZ1, como potenciais reguladores da expressão de OsAPX8. A complexidade das respostas induzidas por ROS indicam que estas possuem uma alta especificidade e dependem da localização subcelular e da atividade de cada um dos componentes dessa intricada rede de sinalização, assim como o nível de expressão de cada um deles. O conjunto dos resultados obtidos amplia a visão do papel das ROS no desenvolvimento vegetal e nos mecanismos de respostas de plantas a estímulos ambientais geradores de estresse oxidativo.

The reactive oxygen species (ROS) are important signaling molecules, or secondary messengers, involved in a complex signaling network, which, in plants, is essential for development, and different environmental stimuli responses. Moreover, these molecules represent an oxidative risk to the cell, and at high concentrations may damage various cellular components. Thus, the ROS production and elimination routes should be finely regulated. Although these pathways have been extensively studied, many aspects remain unknown. Here we investigated the mechanisms of generation and elimination of ROS in mitochondria and chloroplasts, and its effects in plant development and stress responses. The results demonstrated that the enzyme succinate dehydrogenase, which corresponds to the mitochondrial complex II, is an important site of ROS production in plant cells. In addition, the control of ROS production in cellular organelles, such as mitochondria and chloroplast, promotes changes in development patterns and in plant stress response. While the induction of mitochondrial ROS production by SDH inhibit the development and activated defense genes expression, changes in chloroplast antioxidant response, by genetic manipulation of chloroplastic ascorbate peroxidases (OsAPX7 e OsAPX8), modulates physiologic parameters and stress response, despite inducing lower changes related to plant development. In this way, rice plants silenced or knockout for chloroplastic isoforms of APX showed a differential stomata opening pattern and drought stress tolerance. In addition, one-hybrid experiments, allowed the identification of the transcription factors OsDST, OsABF7, Os11g28270 e OsVOZ1, as potential regulators of the OsAPX8 expression. The complexity of the responses induced by ROS indicates that these mechanisms have a high specificity and is dependent of the subcelullar location, their activity, and the expression of each one of the components of this signaling network. The results obtained expands our vision of the role of ROS in plant development and in plant responses to environmental stimuli related to oxidative stress.