Study of the membrane lipid metabolism and associated genes in Vigna unguiculata (L.) Walp under combined abiotic stress (drought/ozone)

Global climate changes are responsible for the increased frequency of episodes of drought and high concentrations of tropospheric ozone, which can occur simultaneously reducing plant growth, limiting agricultural production and affecting the food supply for an increasing world population. These environmental stresses can lead to the overproduction of reactive oxygen species, promoting oxidative stress and causing metabolic imbalance. Cell membranes are the primary targets of damage induced by stresses and the preservation of cell integrity through remodeling of membrane lipids is essential for plant survival under adverse conditions. The objective of this study was to investigate the effects of drought, ozone and the combined stresses in two cowpea cultivars with different degrees of drought tolerance: EPACE-1 (tolerant) and IT83-D (susceptible) through physiological responses and a study focused on the content and composition of membrane lipids, as well as on the expression of genes related to the biosynthesis and degradation of these lipids. Drought and ozone (120 ppb), isolated or in combination, were applied on three-week-old seedlings during two weeks. After 7 and 14 days of treatments, physiological parameters were determined. Lipids extracted from leaves were analyzed by gas chromatography/mass spectrometry. Transcript accumulation (VuMGD1, VuMGD2, VuDGD1, VuDGD2, VuCLS, VuFAD7, VuFAD8, VuPLD1 and VuPAT1) was detected in leaves by real time PCR. In both cultivars, drought inhibited the plant growth and photosynthesis through stomatal closure, which appeared to involve the gene expression of phospholipase D (VuPLD1). Ozone caused foliar injury and degradation of galactolipids, mainly in IT83-D. In this cultivar, the damage resulted in an increase in DGDG:MGDG ratio and in VuDGD2 expression. Furthermore, a partial decrease in the phospholipids content in response to ozone was associated with an increase in VuPLD1 expression, suggesting a replacement of phospholipids by DGDG. Differently, EPACE-1 cultivar in the presence of ozone, concomitantly with the degradation of galactolipids, showed an increase in storage lipids and DPG (cardiolipin) contents. The two stresses in combination led to results similar to those observed in response to the drought treatment alone, in both cultivars, which likely reflected the severe restriction of ozone uptake resulting from drought-induced stomatal closure. In conclusion, the present results highlight the prominent role of membrane lipids in the metabolic adjustments that occur for the plant tolerance to drought and ozone.As mudanças climáticas globais são responsáveis pelo aumento da frequência de episódios de seca e de elevadas concentrações de ozônio troposférico, que podem ocorrer simultaneamente, reduzindo o crescimento das plantas, limitando a produção agrícola e afetando o suprimento de alimentos para a crescente população mundial. Esses estresses ambientais podem levar à superprodução de espécies reativas de oxigênio, promovendo o estresse oxidativo e causando desequilíbrio metabólico. As membranas celulares são os primeiros alvos de danos induzidos por estresses e a preservação da integridade celular através da remodelação dos lipídios de membrana é essencial para a sobrevivência da planta sob condições adversas. O objetivo deste trabalho foi investigar os efeitos da seca, do ozônio e dos estresses combinados em dois cultivares de feijão-de-corda dotados de diferentes graus de tolerância à seca: EPACE-1 (tolerante) e IT83-D (sensível) através de respostas fisiológicas e de um estudo focado no teor e na composição de lipídios de membrana, assim como na expressão de genes relacionados à biossíntese e à degradação desses lipídios. A seca e o ozônio (120 ppb), isolados ou combinados, foram aplicados nas plantas após três semanas de germinação, durante duas semanas. Após 7 e 14 dias de tratamentos, parâmetros fisiológicos foram determinados. Os lipídios extraídos de folhas foram analisados por cromatografia gasosa/espectrometria de massa. O acúmulo de transcritos (VuMGD1, VuMGD2, VuDGD1, VuDGD2, VuCLS, VuFAD7, VuFAD8, VuPLD1 e VuPAT1) foi detectado em folhas por PCR em tempo real. Em ambos os cultivares, a seca inibiu o crescimento e a fotossíntese através do fechamento estomático, o que pareceu envolver a expressão gênica da fosfolipase D (VuPLD1). O ozônio causou injúria foliar e degradação de galactolipídios, principalmente em IT83-D. Neste cultivar, os danos implicaram no aumento da relação DGDG:MGDG e da expressão de VuDGD2. Além disso, uma diminuição parcial no teor de fosfolipídios em resposta ao ozônio foi associada ao aumento da expressão de VuPLD1, sugerindo-se uma substituição de fosfolipídios por DGDG. Diferentemente, o cultivar EPACE-1 em presença de ozônio, concomitantemente com a degradação de galactolipídios, mostrou um aumento nos teores de lipídios de reserva e de DPG (cardiolipina). A combinação dos estresses levou a resultados semelhantes aos encontrados com a seca aplicada isoladamente, em ambos os cultivares, o que provavelmente reflete a forte restrição da absorção de ozônio devido ao fechamento dos estômatos induzido pela seca. Em conclusão, os presentes resultados ressaltam o proeminente papel dos lipídios de membrana nos processos de ajustamento metabólico que ocorrem para regular a tolerância das plantas à seca e ao ozônio