Unravelling the molecular and physiological components that contribute to iron deficiency chlorosis

Tese do aluno

Resumo

Aclorose por deficiência de ferro (Fe) é uma condição grave que afeta plantas em solos calcários ou alagados. Sob estas condições, o Fe forma óxidos insolúveis e torna-se indisponível para absorção pelas plantas, o que conduz a um crescimento diminuído e a uma redução severa na produção, resultando em perdas agronómicas agravadas. Nos últimos anos, têm sido desenvolvidos estudos no sentido de aumentar o conteúdo de Fe nos tecidos vegetais (biofortificação), de forma a reduzir a incidência da anemia por deficiência de Fe prevalente no mundo. Com este objetivo, as leguminosas e os cereais, dado o seu perfil nutricional rico e o seu alto consumo pela população mundial, têm ganho particular enfoque nos estudos de bio fortificação, cujos resultados dependem da informação molecular e fisiológica disponível. O objetivo do presente trabalho foi contribuir para a compreensão dos mecanismos moleculares, fisiológicos e bioquímicos associados à absorção e transporte de Fe, bem como o estudo do potencial de uma nova classe de quelantes de Fe como uma ferramenta eficaz na prevenção da clorose férrica.Com o objetivo de compreender a resposta transcritómica à deficiência de Fe num conjunto de diferentes espécies de leguminosas, foi realizada uma análise não-direcionada com recurso à tecnologia Illumina. A análise transcritómica foi realizada nas raízes de soja (Glycine max), feijão (Phaseolus vulgaris) e luzerna-cortada (Medicago truncatula), crescidas em deficiência ou suficiência de Fe. Deste estudo, identificaram-se114.723 genes para todas as amostras. Quatro famílias de genes, nomeadamente ligandos de metais, transferases, proteína quinase e genes de ligação a metais e iões de zinco, foram sobre-expressas pelas três espécies e podem ter um papel relevante na resposta à clorose férrica. Entre os genes específicos mais expressos em deficiência de Fe, identificaram-se também genes da via dos isoflavonóides. Por outro lado, entre os genes cuja expressão foi diminuída sob deficiência de Fe, identificaram-se genes codificantes de oxidoreductases. Realizaram-se também dois estudos direcionados, um em G. maxe M. truncatulae outro em arroz (Oryza sativa). Ambos os estudos implicaram o crescimento de plantas com e sem suplementação de Fe, por forma a comparar a regulação de genes relacionados com a clorose férrica. A soja e a luzerna-cortada são leguminosas que utilizam a estratégia I, o que significa que, antes da absorção pelas raízes, elas necessitam de reduzir o Fe (III) a Fe(II) utilizando uma enzima codificada pelo gene FRO2 e, depois deste passo, o Fe (II) é transportado por um transportador de metais codificado pelo gene IRT1. A expressão destes dois genes foi estudada e verificou-se que ambos comportaram-se de forma semelhante entre espécies, sugerindo que a sua expressão é co-regulada. Estudaram-se também os transportadores de Fe YSL1 e VIT1, e o gene codificante da principal proteína de armazenamento de Fe –a ferritina–tendo sido todos sobre-expressos na presença de Fe. O gene NRAMP3, responsável pela remobilização do Fe dos vacúolos, foi sobre-expresso na deficiência de Fe, tal como o gene GCN2, o que sugeriu um possível papel deste último no metabolismo e homeostasia do Fe. No estudo realizado com o arroz, um cereal que utiliza a estratégia IIe que liberta fitosideróforos para quelatar e absorver o Fe, analisaram-se duas cultivares de arroz com suscetibilidades distintas à clorose férrica–cv. Nipponbare e cv. Bico Branco. A suscetibilidade diferencial foi confirmada pelo padrão oposto obtido nos resultados do desenvolvimento da clorose férrica e da acumulação de nutrientes nos tecidos. A cv. Nipponbare, que demonstrou menor suscetibilidade à clorose férrica, induziu níveis mais altos da enzima reductase férrica nas raízes, responsável pela redução de Fe(III), assim como do gene correspondente, OsFRO2, típico da estratégia I. Pelo contrário, a cv. Bico Branco induziu maiores níveis dos genes envolvidos na estratégia II, em particular, o fator de transcrição OsIRO3 e o precursor de fitosideróforos OsTOM1.A seleção de cultivares tolerantes à deficiência de Fe é uma ferramenta importante para programas de melhoramento de plantas. O indicador de clorose férrica mais comum é o grau de desenvolvimento de clorose, que é quantificado com uma escala numérica. Assim, após reunir os dados moleculares, estudaram-se os mecanismos fisiológicos associados à clorose férrica. A soja foi selecionada como espécie-modelo pelo facto de incluir diversas linhas amplamente caracterizadas de acordo com a sua suscetibilidade à clorose férrica. Deste modo, este estudo foi dividido em duas análises principais. Na primeira análise,o objetivo foi compreender se a capacidade de partição de Fe podia ser relacionada com a eficiência de Fe. Concluiu-se que as linhas suscetíveis, em comparação com as linhas eficientes, tiveram uma capacidade menor de translocação do Fe para a parte aérea da planta, acumulando cerca do dobro do conteúdo de Fe nas raízes e, mais ainda, estas linhas tinham também níveis três vezes mais baixos de atividade da enzima reductase. Na segunda análise estudou-se, pela primeira vez, a regulação dos sistemas antioxidante e tetrapirrólico na deficiência de Fe e observou-se que níveis superiores de stress oxidativo podem induzir a oxidação da molécula heme em hemina, que resulta na indução da enzima catalase e na redução da atividade da enzima reductase, sendo que ambas possuem o grupo heme na sua estrutura. Em suma, os resultados anteriores indicam que uma atividade baixa da enzima reductase férrica e acumulação de Fe nas raízes podem ser novos indicadores fisiológicos para a clorose férrica. A aplicação de fertilizantes e de agentes quelantes de Fe é uma das estratégias mais utilizadas para tratar a clorose férrica. Porém, muitos destes produtos são ineficazes, dispendiosos ou recalcitrantes no ambiente. Como tal, o desenvolvimento de novos quelatos de Fe é de extrema importância. Na última parte desta tese investigou-se o potencial de um complexo do grupo tris (3-hydroxy-4-pyridinonate) Fe (III) (Fe (mpp)3, nunca utilizado em contexto agronómico)como um fertilizante novo de Fe. Plantas de soja foram crescidas em hidroponia sob deficiência de Fe ou suplementadas com Fe(mpp)3ou FeEDDHA. Quer os resultados dos marcadores fisiológicos, quer dos moleculares demonstraram que, com o novo complexo de Fe, as plantas desenvolveram-se de forma mais saudável, obtendo um crescimento superior em 24%, 42% maior acumulação de clorofilas e menor retenção de Fe nas raízes. Em geral, os resultados apresentados nesta tese contribuíram para uma melhor compreensão dos mecanismos associados à clorose férrica e esclareceram alguns dos fatores chave a considerar na análise das respostas de defesa de plantas sob stress de ferro.
Data do prémio12 jul 2017
Idioma originalEnglish
Instituição de premiação
  • Universidade Católica Portuguesa
SupervisorMarta Vasconcelos (Supervisor), António O. S. S. Rangel (Co-Orientador) & Susana Maria Pinto de Carvalho (Co-Orientador)

Designação

  • Doutoramento em Biotecnologia

Citação

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