Caracterização da interação entre deficiência de fósforo e acúmulo de ferro na arquitetura de raízes de Avena Sativa L.

Abstract

Nos solos com pH ácido, a baixa disponibilidade de fósforo inorgânico (Pi) é um relevante problema para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Recentes estudos em Arabidopsis thaliana têm investigado a participação de genes de tolerância ao alumínio na resposta à deficiência de fósforo, sugerindo efeitos pleiotrópicos em solos ácidos, que envolvem o aumento da captação de Pi por diferentes mecanismos fisiológicos e moleculares. Uma parte dessa interação ocorre pela modulação da expressão das proteínas do módulo regulatório STOP1-ALMT1, além da dependência do acúmulo de ferro (Fe) nas raízes. Os principais objetivos deste estudo foram: i) identificar se o modelo proposto para explicar a redução do crescimento radicular em resposta à baixa disponibilidade de Pi que ocorre em Arabidopsis, também é válido em monocotiledôneas, como a espécie Avena sativa L.; ii) verificar se as modificações no sistema radicular de aveia causadas pela baixa disponibilidade de Pi estão correlacionadas com o acúmulo de Fe nas raízes; iii) analisar a expressão gênica de STOP1 e ALMT1 em raízes de aveia para avaliar o seu envolvimento na via de sinalização da interação entre Pi e Fe. Plantas de aveia do genótipo UFRGS 17 foram cultivadas em solução hidropônica com diversas concentrações de Pi e Fe, além da aplicação de malato exógeno. Parâmetros radiculares, acúmulo de calose e ferro, além da expressão gênica dos genes STOP1 e ALMT1 em ápices radiculares foram avaliados. Em condições de deficiência de Pi, as raízes diminuíram seu comprimento total e número de ramificações, mas aumentaram o comprimento das raízes principais. Tal resposta foi obtida devido ao aumento do número de células na região meristemática e maior tamanho celular na região de alongamento. A situação de deficiência de Pi promoveu acúmulo de calose em zonas radiculares e maior acúmulo de ferro na epiderme da raiz e no apoplasto das primeiras camadas do córtex, contudo não foi possível associar a produção de calose com a presença de ferro. O aumento de ferro pode não ser o principal componente a alterar o sistema radicular de aveia. A aplicação de malato exógeno promoveu alterações no sistema radicular, promovendo maior comprimento total de raízes independente da disponibilidade de Pi. Os genes candidatos STOP1 e ALMT1, diferentemente de arabidopsis, não estão envolvidos no estímulo da redução do comprimento do sistema radicular de Avena sativa sob deficiência de Pi. Os resultados apresentados neste estudo indicam que o modelo proposto na alteração radicular para arabidopsis não é aplicável à aveia e contribuem para melhorar o entendimento do comportamento radicular de plantas de aveia submetidas a estresses abióticos nutricionais.

In acidic soils, the low availability of inorganic phosphorus (Pi) is a problem for plant growth and development. Studies in Arabidopsis thaliana have suggested a role for aluminum tolerance genes in the phosphorus deficiency response, suggesting pleiotropic effects in acid soils, which involve increased phosphorus uptake by different physiological and molecular mechanisms. Part of this interaction occurs through the modulation of the expression of the STOP1-ALMT1 regulatory module proteins, in addition to the dependence on iron (Fe) accumulation in the roots. The main objectives of this study were: i) to identify whether the model developed for Arabidopsis to explain the reduction in root growth in response to low Pi, also occurs in monocotyledons, such as the species Avena sativa L.; ii) to verify if the modifications in the oat root system caused by the low Pi are correlated with Fe accumulation in the roots; iii) analyze STOP1 and ALMT1 gene expression in oat roots to assess their involvement in the signaling pathway of the interaction between Pi and Fe. Oat plants of the UFRGS 17 genotype were cultivated in hydroponic solution with several concentrations of Pi and Fe, in addition to the exogenous malate application. Root parameters, callose and iron accumulation, as well as gene expression of the STOP1 and ALMT1 genes in the root tips were evaluated. Under Pi deficiency, the root system decreased its total length and its number of branches, but increased the individual root length. This response was obtained due to an increase in the cell numbers in the meristematic region and bigger cell length in the elongation region. Pi deficiency promoted callose accumulation in root zones and iron accumulation in the root epidermis and in the apoplast of cortex first layers. However, it was not possible to associate the callose production with iron content. Accumulated iron may not be the main factor to alter the oat root system. Exogenous malate promoted changes in the root system, increasing total root length independently of Pi availability. The STOP1 and ALMT1 candidate genes, differently from arabidopsis, are not involved in stimulating the reduction of the root system length in Avena sativa under Pi deficiency. The results presented in this study suggest no validation of the root growth model of arabidopsis for oat and contribute to the knowledgement about the oat root behavior nutritional to abiotic stress.