On the role of branched-chain amino acids in Arabidopsis thaliana subjected to water stress conditions | Papel dos aminoácidos de cadeia ramificada em Arabidopsis thaliana submetidas à condições de limitada disponibilidade hídrica

Estudos recentes demonstram que o metabolismo vegetal e particularmente a respiração são alterados sob condições de estresses ambientais. Ademais, sob tais condições, vias alternativas são induzidas para suprir o processo respiratório com substratos alternativos. Uma dessas rotas envolve o complexo protéico flavoproteína de transferência de elétrons/ flavoproteína de transferência de elétrons oxidoredutase da ubiquinona (ETF/ETFQO), e é responsável pela doação alternativa de elétrons à cadeia de transporte mitocondrial. Abordagens recentes demonstraram que as enzimas desidrogenase do 2-hidroxiglutarato (D2HGDH) e desidrogenase do isovaleril-CoA (IVDH) atuam na doação de elétrons para o pool de ubiquinona via complexo ETF/ETFQO. Entretanto, o papel desempenhado por essa rota na resposta das plantas ao défice hídrico ainda não foi completamente elucidado. O presente trabalho fornece evidências fenotípicas, fisiológicas, metabólicas e moleculares de que vias alternativas respiratórias, e particularmente as enzimas ETFQO, IVDH e D2HGDH, desempenham um papel significativo nos mecanismos de tolerância à seca em Arabidopsis thaliana. As plantas mutantes etfqo-1, d2hgdh-2 e ivdh-1 mostraram-se mais sensíveis à seca em comparação ao tipo selvagem e aos mutantes superexpressando D2HGDH, apresentando sintomas de senescência mais acentuados, tais como murcha e clorose foliar. Além disso, foram observadas diminuições nos valores de alguns parâmetros relacionados à senescência nesses mutantes, tais como teor relativo de água, teores de clorofilas e eficiência fotoquímica máxima do fotossistema II. Plantas etfqo-1, d2hgdh-2 e ivdh-1 não conseguiram recuperar o crescimento vegetativo após a retomada da irrigação, indicando que o complexo ETF/ETFQO seria um importante mecanismo de resistência à seca. O défice hídrico induziu uma extensa reprogramação metabólica em todos os genótipos analisados, culminando com o aumento do teor de aminoácidos totais, bem como diminuições nos teores de proteínas, amido e nitrato. Em adição, o perfil metabólico permitiu a identificação de uma série de compostos envolvidos na tolerância ao défice hídrico. Particularmente, incrementos nos níveis de aminoácidos de cadeia ramificada (BCAA), isoleucina, leucina e valina, parecem estar relacionados ao aumento da utilização dos mesmos como fonte alternativa de elétrons para a cadeia de transporte mitocondrial, sob condições de estresse hídrico. Análises de expressão gênica, por sua vez, revelaram, simultaneamente, um inesperado baixo nível de fotorrespiração, bem como uma possível manutenção da operação do ciclo dos ácidos tricarboxílicos durante o estresse hídrico. Por fim, o complexo ETF/ETFQO, assim como o catabolismo de BCAA, parecem desempenhar um papel relevante nos mecanismos de tolerância ao estresses salino e osmótico em eventos germinativos em Arabidopsis. Em conjunto, esses dados indicam que o metabolismo mitocondrial alternativo pode ser altamente eficaz na tolerância à seca.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Recent evidence has demonstrated that under stress situations plant metabolism and particularly respiration are reorganized and alternative pathways are induced in order to provide substrates for the respiratory process. One of these enzymatic pathways involves the electron-transfer flavoprotein/ electron-transfer flavoprotein:ubiquinone oxidoreductase (ETF/ETFQO) complex, which provides an alternative input of electrons into the mitochondrial electron transport chain (mETC). It has been also recently demonstrated that both isovaleryl-CoA dehydrogenase (IVDH) and 2- hydroxyglutarate dehydrogenase (D2HGDH) act as electron donors to the ubiquinol pool via ETF/ETFQO pathway under stress situations, such as dark-induced senescence. However, the role of this pathway in response to water deficit remains as yet unclear. Here phenotypical, physiological, metabolical, and molecular evidences indicate that alternative pathways of respiration and more specifically ETFQO, IVDH and D2HGDH enzymes seem to play a significant role in drought-tolerance mechanisms in Arabidopsis thaliana. Plants of etfqo-1, d2hgdh-2 and ivdh-1 knockout (KO) mutants were more sensitive to drought than wild type (WT) and lines overexpressing D2GHDH. Those mutants were characterized by more pronounced symptoms of senescence, such as wilting and chlorosis. In addition, it was observed decreased values of some senescence-related parameters in KO plants, such as relative water content, chlorophylls and maximum photochemical efficiency of photosystem II. KO mutants were less able to restore vegetative growth after the irrigation recovery indicating that the ETF/ETFQO pathway is important for plants to withstand drought as well as to recover growth after re-watering. Drought stress induced an extensive metabolic reprogramming in all genotypes leading to increases in total amino acids levels, as well as decreases in protein, starch and nitrate contents. Furthermore, metabolite profile allowed the identification of a range of compounds involved in drough-tolerance. Particularly, the enhanced levels of branched-chain amino acids (BCAA), isoleucine, leucine and valine, seem to be related to increased usage of those amino acids as alternative source of electrons to mETC under water stress conditions. Gene expression analyses revealed both unexpected low rates of photorespiration and a possible maintenance of tricarboxylic acid (TCA) cycle operation during water stress. Finally, the ETF/ETFQO pathway as well as BCAA catabolism seems to play a relevant role in both salt- and osmotic-tolerance mechanisms in Arabidopsis germination events. In summary compelling evidence indicates that alternative mitochondrial metabolism is likely highly effective in drought tolerance.