Physiological changes caused by arsenic, genotoxicity and importance of mismatch repair mechanism in DNA repair in Arabidopsis thaliana

O arsênio (As) é um elemento não só tóxico, mas também altamente genotóxico aos seres vivos. Muitas lacunas precisam ser preenchidas com relação aos processos causadores de toxidade do As em plantas, bem como os mecanismos de tolerância e sensibilidade a este metalóide. Para isso, plantas de Arabidopsis thaliana (WT, mutantes msh2 e transgênicas repórteres em mutações) e Allium cepa foram expostas a 0, 2, 8 e 16 mg As L -1, durante cinco dias, em sistema hidropônico ou em meio de cultura. As plantas acumularam grandes teores de As nas raízes e apresentaram elevado fator de translocação para a parte aérea, e também alterações no acúmulo de nutrientes. Os sintomas visuais se intensificaram com o aumento da concentração de As na solução nutritiva. As raízes adquiriram coloração escura e aspecto gelatinoso, danificado e aumento no comprimento e densidade dos pêlos; a parte aérea apresentou aumento dos teores de antocianinas e sinais de senescência precoce, bem como alterações na espessura de tecidos. O estresse oxidativo e a redução dos teores de fósforo foram apontados como os principais efeitos do As capazes de causar toxidez, evidenciando os danos indiretos deste elemento no organismo. Foram verificadas importantes alterações fotossintéticas, bem como indícios de danos ao processo de respiração celular devido o aumento da expressão de genes codificantes de oxidases alternativas. Também foram observadas alterações nos teores de açúcares em folhas jovens, maduras e raízes. O As promoveu fragmentação do DNA nos ápices radiculares de A. cepa e aumento das taxas de mutação pontual e de recombinação-não homóloga em A. thaliana. O significativo aumento da expressão dos genes msh2 e msh7, codificadores de enzimas-chave do processo mismatch repair, que realiza o reparo de bases danificadas ou erroneamente inseridas no DNA, sugeriu a importância deste mecanismo no combate à genotoxidade do As em A. thaliana. Isso foi confirmado pela maior sensibilidade observada nas plantas mutantes msh2 ao As, detectada visualmente via aumento da peroxidação de lipídios. Observou-se inibição da atividade da protease caspase-3, associada ao processo de morte celular programada, reforçando a capacidade de inibição da atividade enzimática pelo As.Arsenic (As) is not only a toxic element, but also highly genotoxic to living organisms. Several gaps in our understanding of As toxicity in plants need to be filled, including the mechanisms that result in tolerance and sensitivity to this metalloid. For this reason Arabidopsis thaliana plants (WT, msh2 mutants and transgenic reporters in mutation process) and Allium cepa were exposed to 0, 2, 8 e 16 mg As L -1, for five days, in a hydroponic system or in culture medium. The plants accumulated large amounts of As in roots and presented a high translocation factor to the shoot, and also showed changes in nutrient accumulation. The visual symptoms have intensified with the increasing of As concentration in the nutritive solution. Roots showed dark coloration and a damaged and gelatinous aspect, with increased roots hair length and density. The shoots showed accumulation of anthocyanins and signs of early senescence, as well as changes in tissue thickness. Oxidative stress and reduction of phosphorus concentration in tissues have been implicated as the main cause of toxicity, evidencing the indirect damage from this element in the organism. Important changes in photosynthesis were observed, as signs of damage to respiration, due to increased expression of alternative oxidase genes. Thus, changes in the levels of synthesis and utilization of sugars by plants were observed. As promoted DNA fragmentation in A. cepa and increased rates of point mutation and nonhomologous recombination. The significant increase in the expression pattern of the msh2 and msh7 genes, which encode key enzymes in DNA repair process, suggests the importance of this mechanism in defense against As genotoxicity in A. thaliana. This was confirmed by the greater sensitivity observed in msh2 mutants to As as indicated by visual symptoms and by an increase in lipid peroxidation. Inhibition of the activity of the caspase-3 protease was also observed, evidencing the As capacity of enzyme activity inhibition.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio