Changes in photosynthesis and oxidative responses in sugarcane plants (Saccharum officinarum L.) treated with Paraquat

Este trabalho teve como objetivo analisar os efeitos fisiológicos do herbicida Paraquat, indutor de estresse oxidativo, em plantas de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.). A escolha desta espécie como modelo fisiológico deste estudo deveu-se a sua importância econômica para o país, em especial para o Estado de São Paulo. O Paraquat (PQ) é um herbicida de contato que atua especificamente no Fotossistema II bloqueando o fluxo de elétrons e impedindo a redução do NADPH, aceptor final de elétrons. Como consequência, há a formação de radicais instáveis, reativos com a molécula de oxigênio (EROs), os quais causam danos em membranas, proteínas e ácidos nucleicos. A hipótese central foi a de que a atividade de peroxidase de ascorbato é mais sensível ao PQ do que a atividade de superóxido dismutase, nas mesmas condições. O experimento principal consistiu da aplicação, via pulverização foliar, de diferentes doses de PQ (0, 2, 4, 6 e 8 mM de Metil Violágeno, agente ativo), que permaneceu em contato por 24 e 48 horas. Após 18 horas de exposição, observou-se sintomas visuais de toxocidade e uma redução significativa da atividade fotossintética, medida através de parâmetros relacionados com a fluorescência da clorofila a. O nível de peroxidação de lipídeos, indicado pela concentração de TBARS, foi aumentado, indicando danos nas membranas causados pela geração de EROs. Um resultado importante foi o aumento da atividade específica de SOD (Superóxido Dismutase), primeira enzima de defesa contra EROs. Esse aumento foi gradativo com o aumento da dose e do tempo de exposição ao PQ. A isoforma mais evidente foi a SOD Cu/Zn, visualizada por atividade em gel nativo. Esta isoforma está presente preferencialmente em cloroplastos, organela alvo da ação do PQ. É importante ressaltar que mesmo em doses quase letais, a atividade desta enzima manteve-se em níveis semelhantes ao controle. Entretanto, a atividade de APX (Ascorbato Peroxidase), enzima que faz a remoção de radicais H2O2, gerados pela SOD, foi reduzida abruptamnete a partir de 4 mM PQ, apesar de ter sido observado um aumento na dose inicial (2 mM). Este fato sugere que os danos oxidativos em cana-de-açúcar tratadas com PQ podem ser causados pelo excesso de radicais H2O2. Diferente da SOD, a APX é considerada bastante susceptível a certos tipos de estresse ambiental, logo perdendo sua atividade. Analisou-se também a expressão de proteínas por SDS-PAGE e eletroforese 2-D. Em ambos resultados, foram observados diminuição na expressão de algumas proteínas ocasionada pelo tratamento com PQ. Contudo, não foi possível detectar claramente a indução de peptídeos nesse caso, provavelmente devido ao alto grau de degradação das estruturas celulares. O aumento da atividade de SOD em cloroplastos de folhas de cana-de-açúcar tratadas com PQ, deve ser mais estudado, pois esta pode ser uma enzima alvo para programas de melhoramento genético visando obtenção de plantas com resistência ao PQ e a outros herbicidas com modo de ação no sistema fotossintético.This work had the objective to analyze physiological effects of Paraquat herbicide, an oxidative stress inductor, in sugarcane (Saccharum officinarum L.) plants. The choice to use this species as a physiological model for this study was due its recognized economical importance for our country, in special to the State of Sao Paulo. Paraquat (PQ) is a contact herbicide that acts specifically on Photosystem II by blocking the normal electron flux and the reduction reaction of NADPH, the electron acceptor molecule. As consequence, there is formation of instable radicals and highly reactive oxygen species (ROS), which cause damage to membranes, proteins and nucleic acids. The central hypothesis was that ascorbate peroxidase activity is more sensitive to PQ than the activity of superoxide dismutase in the same conditions. The main experiment consisted on the sprayed of different concentrations of PQ (0, 2, 4, 6 e 8 mM of Metil Violagen) that stayed in leaf contact for 24 and 46 hours. After 18 hours, it was observed visible symptoms of toxicity and the photosynthetic activity decreased, measured by chlorophyll a fluorescence. Also, the level of lipids peroxidation measured by the increase concentration of TBARS formation, indicate damage to cell membrane caused by the generation of ROS. An important result was the increase of SOD specific activity (superoxide dismutase) first enzyme related to defense against ROS. This gradation increase was correspondent to the exhibition period to PQ. The most evident SOD isoform by native PAGE was the SOD Cu/Zn. This isoform is located preferentially in chloroplasts, organelle target to the action of PQ. It is important to remark that even in almost lethal concentrations of PQ the chloroplast SOD activity still remains expressed beilng responsible for the removal of H2O2 generated by SOD, which was reduced abruptly after 4 mM treatment. Although, it has been observed increase with the initial dose (2 mM). This fact suggests that the oxidative damages in sugarcane treated with PQ can be caused by excess of H2O2. Differently of SOD, this enzyme is considered to be fragile to certain kinds of environmental adversities, loosing its activity Also the protein expression was analyzed by SDSPAGE and 2-D electrophoresis. In both analyses, it was observed decrease of some protein expression caused by PQ. However, it was not possible to clearly detect peptides induction in this case, probably due to the elevated level of degradation of cell structures. The increase of chloroplast SOD activity in sugarcane leaves treated with PQ should be detailed investigated since it can be a molecular target for breeding programs with the goal to obtain plants with an acquired resistance to PQ or others herbicides with model action in the photochemical system