Excesso de ferro em arroz (Oryza sativa L.) : efeitos tóxicos e mecanismos de tolerância em distintos genótipos

Abstract

O ferro é um elemento essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, envolvido em processos metabólicos essenciais, como fotossíntese e respiração. Entretanto, quando livre e em excesso, pode gerar estresse oxidativo. A toxidez por excesso de ferro trata-se do maior problema nutricional em arroz alagado, sendo responsável por perdas na produtividade. Diversas estratégias para minimizar os efeitos tóxicos do ferro vêm sendo desenvolvidas, e entre elas, o uso de cultivares tolerantes é considerada a mais efetiva. Porém, poucos dados com relação à interação entre diferentes genótipos de arroz e o ambiente encontram-se disponíveis. Utilizando-se de abordagens bioquímicas e moleculares, foram analisadas as respostas de diferentes cultivares de arroz expostas a altos níveis de ferro, crescidas em campo ou em laboratório. A toxidez por excesso de ferro teve um claro efeito foto-oxidativo, levando a quedas nos teores de clorofila, bem como a danos oxidativos. Excessivos níveis de ferro levaram a um aumento na atividade de enzimas antioxidantes, bem como a alterações no estado oxidativo da célula, modificando as concentrações das formas oxidadas e reduzidas de ascorbato e glutationa. A concentração de ferro apresentou-se variável nas cultivares tolerantes testadas. Os dados obtidos indicam que possíveis mecanismos de tolerância ao excesso de ferro podem envolver a capacidade de acumular ferro em frações superiores a 3kDa, maior atividade de SOD (através da expressão diferencial de três isoformas), bem como a limitação da captura do metal, possivelmente envolvendo a lignificação e remodelamento da parede celular das células da raiz. Altos níveis de ferro levaram ao acúmulo de transcritos dos genes de ferritina, em especial de OsFER2, dependente de um passo oxidativo, bem como à expressão de outros genes relacionados a homeostase de ferro. Cinco genes pertencentes às famílias gênicas ZIP (OsZIP1, OsZIP7 e OsZIP8) e NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5) tiveram sua expressão induzida em plantas expostas a altos níveis de ferro, sugerindo seu possível envolvimento em respostas ao excesso de ferro. Os genes OsIRT1 e OsIRT2, OsNRAMP1 e OsYS7, cuja expressão relativa foi aumentada em condições de deficiência de ferro, tiveram sua expressão reduzida em excesso de ferro. Esses genes codificam transportadores de alta afinidade por ferro, sugerindo a ocorrência de uma resposta coordenada, dependente da concentração de ferro. Plantas de cultivares de arroz distintas apresentaram diferentes mecanismos de tolerância ao excesso de ferro.

Iron is an essential nutrient for growth and development of plants, involved in important plant biological processes, such as photosynthesis and respiration. However, when free and in excessive levels inside the cell, iron can act as a pro-oxidant, leading to oxidative stress. Iron toxicity is considered the major nutritional disorder in waterlogged and lowland rice, being responsible for losses on rice production. Several management strategies have been developed to overcome iron toxicity, and the most cost-effective approach is the use of tolerant rice cultivars. Despite this, few data concerning the relation between different rice cultivars and its environment are available. Through the use of molecular and biochemical approaches, we analyzed the responses of distinct rice genotypes exposed to iron excess, cultivated in the field or in the laboratory. Iron toxicity had a clear photo oxidative damage, leading to decreases in chlorophyll levels and generating oxidative damage. Iron excess also induced the activity of antioxidant enzymes, as well as an alteration in the redox status of the cell, besides concentration varied between the studied cultivars. Mechanisms involved in the tolerance to iron toxicity may involve the capacity to accumulate iron at molecular mass fractions, a higher SOD activity (probably through the differential induction of SOD isoforms), and also the limitation of iron uptake in nutrient solution. This limitation may rely in the root cell wall remodeling and lignifications. Iron lead to an up-regulation of ferritin genes, especially OsFER2, with this induction being dependent on an oxidative step. Iron excess also lead to an induction on the relative gene expression of iron homeostasis-related genes. Five genes belonging to two distinct gene families, ZIP (OsZIP1, OsZIP7 and OsZIP8) and NRAMP (OsNRAMP4 e OsNRAMP5), were up-regulated in plants exposed to iron excess, suggesting their possible role in response to excessive amounts of iron. Interestingly, five genes (OsIRT1 and OsIRT2, OsNRAMP1 and OsYS7) up-regulated by iron deficiency, were regulated in an opposite way by iron excess. All the five genes encode proteins involved in the uptake and transport of iron, suggesting a coordinated response, depending on the iron concentration. Taken together, our results indicated that different rice cultivars can use distinct tolerance mechanisms.