Caracterização de plantas de arroz mutantes no gene FRD-like em relação à homeostase de ferro e toxicidade por alumínio

O arroz é um dos cereais mais produzidos e consumidos por grande parte da população. É uma excelente fonte energética, tornando-se um cereal importante principalmente em países em desenvolvimento. Independentemente de o arroz se adaptar às diversas condições de solo e clima, o seu crescimento é afetado por diversos fatores abióticos, destacando-se a deficiência de ferro (Fe) e a toxicidade por alumínio (Al). O Fe é um micronutriente essencial que participa em diversos processos fisiológicos, como a fixação de nitrogénio, produção de hormonas e síntese de DNA. As plantas quando submetidas a níveis de défice de Fe apresentam duas estratégias: a acidificação da rizosfera e posterior captação de Fe2+, realizada pela maioria das plantas; e a liberação de fitosideróforos que funcionam como quelantes de Fe3+ e posterior captação de Fe3+ quelado, utilizada apenas pelas gramíneas. O Al também é um fator limitante para o desenvolvimento de plantas de arroz, sendo um dos elementos mais abundantes na terra. A toxicidade de Al manifesta-se de diferentes formas, principalmente na inibição do alongamento das raízes, que afeta a captação de água e nutrientes. Por sua vez, este reduz níveis de crescimento e aumenta a suscetibilidade a fatores de stresse ambiental. Neste projeto selecionou-se 200 sementes de Oryza sativa ssp. japonica cv. Nipponbare e 200 sementes de uma variedade mutante no gene FRD-like. As sementes cresceram sob um sistema hidropónico durante 20 dias, seguidamente foram submetidas às diferentes condições: controlo (solução nutritiva), excesso de Al (solução nutritiva com adição de 450 μM AlCl3) e deficiência de Fe (solução nutritiva sem adição de Fe - 0 μM Fe-EDTA). Após 14, 21 e 28 dias de tratamento iniciou-se a recolha de plantas das duas linhagens de forma a analisar a altura da planta, o comprimento da raiz, o peso seco da raiz e da parte aérea, os níveis de clorofila total, e de modo a analisar a expressão de genes envolvidos com a homeostase de Fe e toxicidade de Al, com o intuito de caracterizar fisiologicamente e molecularmente plantas de arroz mutantes no gene FRD-like (locus Os12g0106600, um membro da família MATE) em relação ao seu papel na absorção e transporte de Fe e na tolerância à toxicidade por Al. Após a recolha de dados e análise estatística percebeu-se que a parte aérea da linhagem selvagem apresenta, ao longo dos 28 dias, diferenças significativamente superiores praticamente em todos os diferentes meios. O comprimento da raiz destacou-se no meio sem Fe, verificando-se diferenças significativamente superiores na linhagem mutante. No entanto, o peso seco da raiz oscilou durante os 28 dias, nos diferentes meios, sendo que a linhagem selvagem foi a única que apresentou diferenças significativamente superiores, principalmente, no meio controlo. A análise da expressão genética não se realizou devido à pandemia de Covid-19 que provocou o encerramento das atividades nos laboratórios e a impossibilidade de continuidade do projeto. Em síntese, a linhagem selvagem adapta-se melhor quando submetida à toxicidade de Al e ao défice de Fe. Esta pesquisa foi útil para começarmos a entender os mecanismos de tolerância ao stresse, os processos de translocação de Fe e a resposta à toxicidade de Al, mas a conclusão deste projeto terá um papel fundamental em programas de melhoramento genético que visem à biofortificação de grãos de arroz.Rice is one of the most produced and consumed cereals by great part of the population. It is an excellent energy source, making it an important cereal mainly in developing countries. Regardless of whether rice adapts to different soil and climate conditions, its growth is affected by several abiotic factors, notably iron (Fe) deficiency and aluminum (Al) toxicity. Fe is an essential micronutrient that participates in several physiological processes, such as nitrogen fixation, hormone production and DNA synthesis. Plants submitted to Fe deficiency levels present two strategies: rhizosphere acidification and subsequent Fe2+ uptake, performed by most of the plants, and the release of phytosiderophores that function as Fe3+ chelators and later chelated Fe3+ uptake, used only by grasses. Al is also a limiting factor for the development of rice plants, being one of the most abundant elements on earth. The toxicity of Al manifests itself in different ways, notably in the inhibition of the root elongation that affects the uptake of water and nutrients. This reduces growth levels and increases susceptibility to environmental stressors. In this project, we selected 200 seeds of Oryza sativa ssp. japonica cv. Nipponbare and 200 seeds of a mutant lineage in the FRD-like gene. The seeds were grown under a hydroponic system for 20 days, then were submitted to different conditions: control (nutritive solution), Al excess (nutritive solution with the addition of 450 μM AlCl3) and Fe deficiency (nutritive solution without Fe added - 0 μM Fe-EDTA). After 14, 21 and 28 days of treatment, plants harvestings of the two strains began in order to analyze plant height, root length, root and shoot dry weight, total chlorophyll levels and the expression of genes related with Fe homeostasis and Al toxicity, in order to characterize physiologically and molecularly mutant rice plants in the FRD-like gene (locus Os12g0106600, a member of the MATE family) in relation to their role in the absorption and transport of Fe and in Al toxicity tolerance. After data collection and statistical analysis, it was noticed that the shoots of the wild line shows, over the 28 days, significantly higher differences in practically all different conditions. The root length stood out in the medium without Fe, with significantly higher differences in the mutant lineage. However, the root dry weight fluctuated during the 28 days, in the different media, being the wild lineage the only one that showed significantly higher differences, mainly in the control conditions. The analysis of gene expression was not carried out due to the Covid-19 pandemic that caused the laboratories closing and avoid the continuity of the project. In summary, the wild plants adapt better when subjected to Al toxicity and Fe deficiency. This research was useful to begin to understand the mechanisms of stress tolerance, Fe translocation processes and the response to Al toxicity, but the conclusion of this project will have a fundamental role in genetic improvement programs aimed at the biofortification of rice grains