Antioxidant responses of roots from rice plants deficient in cytosolic ascorbate peroxidases exposed to salt and osmotic stresses

CUNHA, Juliana Ribeiro. Resposta antioxidante de raízes de arroz deficientes em peroxidases de ascorbato do citosol aos estresses salino e osmótico. 2014. 73 f. Dissertação (Mestrado de Bioquímica) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza-CE, 2014.Salt and osmotic stresses are responsible for significant losses in agriculture, particularly in semiarid regions. In such conditions, roots are the first plant organ in contact with the stress and are responsible for perception and signaling. In leaves, cytosolic ascorbate peroxidases (APX) are the main isoforms involved with antioxidative defence against H2O2 excess and signaling under stressful conditions. Nevertheless, such metabolic mechanisms in roots are still unknown. The aim of this study was to test the hypothesis that cytosolic APX isoforms are essential to antioxidant protection in rice roots exposed to salt and osmotic stresses. To test this hypothesis, rice mutants double silenced for cytosolic APXs (APX1/2) and non-transformed plants, both with 45 day-old, were submitted to two stressful treatments: (1) NaCl and mannitol in iso-osmotic concentrations (-0.62MPa) for eight days and (2) mannitol 268 mM (-0.62MPa) for two days. In mutant plants, OsAPX1 and OsAPX2 transcript amounts (RNAs) were reduced by 90% whereas both protein abundance measured by Western blotting were not detectable. Under control conditions, total APX activity was reduced by 66% in comparison with NT plants, showing that the silencing was effective in roots. In APX1/2 roots, H2O2 level was increased by 51% as a consequence of APX1/2 silencing. Both stresses affected similarly root and shoot growing compared with NT. Membrane damage was increased at the same level in both genotypes and in both stresses, showing that APX1/2 were as sensible as NT plants. In NT roots, OsAPX1 and OsAPX2 transcript amounts was slightly increased by NaCl and mannitol whereas only NaCl increased APX activity. Under salt stress, both genotypes increased other APX isoforms, especially OsAPX3, OsAPX5 and OsAPX8. These increases were correlated with the increased APX activity. In addition, other peroxidases (GPX and GPOD) displayed the same trend as APX, increasing their activity in response to NaCl. On the other hand, mannitol induced a prominent increase in catalase activity in NT plants, while in APX1/2 plants CAT activity did not changed. The H2O2 content was increased in both genotypes exposed to mannitol treatments, and was reduced for NaCl. TBARS level was not altered in the presence of both stresses for both genotypes. This study shows that rice plants exposed to salt or osmotic stresses display complex responses regarding to redox metabolism. Apparently, both cytosolic APXs are not essential to antioxidative protection, since mutant plants presented similar physiological performance to NT plants. The responses to both stresses, NaCl and mannitol, were contrasting for both genotypes, suggesting that different mechanisms of antioxidative protection were triggered for each different stress condition.Os estresses salino e osmótico são responsáveis por perdas significativas na produção agrícola, particularmente nas regiões semiáridas. Nessas condições, a raiz é o órgão da planta que sofre os primeiros efeitos e é responsável pela percepção e sinalização bioquímica dos estresses. Em folhas, as peroxidases do ascorbato do citosol são as principais isoformas envolvidas com a proteção antioxidativa contra o excesso de H2O2 e são também relacionadas na sinalização em condições de estresses. Entretanto, esses mecanismos de ação em raízes são pouco conhecidos. O objetivo deste estudo foi testar a hipótese de que as APXs citosólicas são essenciais para a proteção antioxidativa de raízes de arroz expostas às condições de estresse salino e osmótico. Para isso, plantas transgênicas silenciadas nas duas isoformas de APXs citosólicas (APX1/2) e plantas não transformadas (45 dias de idade) foram expostas a duas condições de estresse: (1) NaCl e manitol em concentrações iso-osmóticas (-0,62 MPa) durante oito dias e (2) manitol 268 mM (-0,62 MPa) por dois dias. Em plantas silenciadas, a quantidade de transcritos (RNAs) de OsAPX1 e OsAPX2 foi reduzida em 90% enquanto que a abundância das duas proteínas mensurada por western blotting não foi detectável. A atividade total de APX foi diminuída em 66% em comparação com as NTs na condição controle, evidenciando que o silenciamento foi efetivo nas raízes. Como consequência da deficiência das APX1/2, o nível de H2O2 foi aumentado em 51% comparado com as NTs. Ambos os estresses afetaram de modo similar o crescimento da raiz e parte aérea das APX1/2, em comparação com as plantas não transformadas (NT). Os valores de danos de membrana nas raízes foram aumentados na mesma intensidade nos dois genótipos e nos dois tipos de estresses, indicando que as APX1/2 apresentaram mesma sensibilidade aos estresses estudados. Nas plantas NT, as quantidades de transcritos de OsAPX1 e OsAPX2 foram aumentadas discretamente por NaCl e manitol enquanto que a atividade de APX foi aumentada somente pelo NaCl. As plantas APX1/2 mostraram a mesma tendência das NTs quanto a expressão e atividade de APX. O aumento na quantidade relativa dos transcritos das outras isoformas de APX, principalmente de OsAPX3, OsAPX5 e OsAPX8, em ambos os genótipos sob estresse salino, foi correlacionado com o aumento da atividade da APX. Além disso, outras peroxidases (GPX e GPOD) apresentaram a mesma tendência de aumento de atividade apenas sob estresse salino. Diferentemente, manitol induziu um aumento proeminente na atividade de catalase nas plantas NT enquanto que nas APX1/2 essa enzima já apresentava atividade aumentada antes do estresse e permaneceu no mesmo nível. As concentrações de H2O2 foram aumentadas intensamente por manitol e reduzidas na presença de NaCl. O nível de TBARS (indicador de peroxidação lipídica) foi mantido inalterado na presença dos dois estresses e nos dois tipos de plantas. Os resultados deste estudo, quando analisados em conjunto, mostram que raízes de arroz expostas aos estresses salino e osmótico exibiram respostas complexas em termos de metabolismo redox. Aparentemente, as duas APXs citosólicas não são essenciais para a proteção antioxidativa, uma vez que as plantas mutantes apresentaram uma performance fisiológica semelhante as plantas NT. As respostas aos dois fatores de estresse, NaCl e manitol, foram contrastantes nos dois genótipos, sugerindo que diferentes mecanismos de proteção antioxidante foram acionados para cada tipo de estresse