O papel das fitoquelatinas na tolerância ao cádmio em Pisum sativum L.

Abstract

De todos os metais não essenciais, o cádmio é, possivelmente, aquele que tem atraído mais atenção no campo da ciência dos solos e da nutrição vegetal, devido à sua elevada toxicidade. São conhecidos vários mecanismosque conferem às plantas a capacidade paratolerar a presença de cádmio, sendo o mais frequente a complexação dos iões metálicos porpéptidos específicos, que impedem o metal de interferir com as reacções metabólicasmais importantes. Estes péptidos estão largamente distribuídos pelo reino vegetal e são vulgarmente conhecidos como fitoquelatinas ou metalotioninas de classe III. As fitoquelatinas são uma família muito particular de isopéptidos,ricos em cisteína, formados por várias unidades de γ-glutamilcisteína (γ-Glu-Cys), seguidas de um terminal Gly ou β-Ala, no caso das homofitoquelatinas. A sua síntese é, exclusivamente, activada na presença de metais, através datranspeptidação da glutationa ou da homoglutationa. Tem sido sugerido que o aumento do nível de exposição e de stresse está associado com o aumentoda síntese destes politióis e do número de repetições das unidades de γ-Glu-Cys. O mecanismo de complexação por fitoquelatinas está aindapouco compreendido, contudo tem sido aceite que este é processado em duas fases:um complexo de baixo peso molecular (LMW) é inicialmente formado com os iões de Cd2+ no citosol; esteé, posteriormente, transportado para o vacúolo onde, através da adição de mais iões de cádmio e de enxofre inorgânico,é formado um complexo mais pesado (HMW). O trabalho apresentado descreve uma análise das respostas de Pisum sativum L. “Resal”a diferentes graus de exposição a cádmio, com particularincidência nos seus efeitos fitotóxicos e na avaliação quantitativa e qualitativada síntese de fitoquelatinas bem como da formação dos complexos HMW e LMW com o metal. Foi estudada, numa primeira fase, a resposta dos diferentes órgãosvegetais de Pisum sativum L. “Resal”à fitotoxicidade imposta por exposições de 9 e 75 dias às concentrações de 1, 3, 30, 60 e 120 μM de cádmio.Verificou-se que a presença de concentrações crescentes de metal induziuuma redução geral no crescimento e na produtividade desta cultivar, bemcomo uma acumulação elevada de cádmio. Contudo, nas concentrações inferiores e mais próximas das situações de contaminação ambiental (1 e 3μM), as plantas foram capazes de suportar as condições de stresse impostase manter um crescimento normal. As raízes foram os órgãos de acumulaçãopreferencial de cádmio; no entanto, foi observado que os frutosacumularam níveis de cádmiopassíveis de prejudicar a saúde. A relação entre diferentesconcentrações de metal e a produção de fitoquelatinas ou as suas isoformasfoi também analisada. Nas concentrações toleráveis as plantas conseguiramsuportar o stresse imposto graças a um aumento da síntese de fitoquelatinas e homo-fitoquelatinas. No entanto, na presença de concentrações mais elevadas de metal, pareceevidente que o consumo de GSH e Cys, necessário à activação do mecanismo de defesa, bem como os efeitos tóxicos provocados pela presença de grandesconcentrações de cádmio intracelular provocam uma incapacidade paramanter os valores de crescimento normais. A importância dos péptidos quelantes na complexação do cádmiointracelular foi igualmente demonstrada ao longo de um período de 15 dias de exposição a 3 μM. Provou-se que nas plantas de P. sativum L. “Resal”,a sequestração metálica baseou-se na formação de três complexoscom diferentes pesos moleculares, dois dos quais foram identificados como oscomplexos descritos por outros autores(LMW e HMW), cuja capacidade de sequestração de cádmio e de acumulação de enxofre remetem para oaumento da predominância e importância do complexo HMW na tolerância àsconcentrações crescentes de cádmio intracelular e para um papel transitório do complexo LMW na complexação. Os dados apresentados reflectem ainda aimportância crescente que a formação destes complexos tem na sequestraçãodo cádmio absorvido pelas raízes das plantas e a sua relação com ocrescimento radicular.

Among the non essential metals, cadmium is possibly the one that has captured more attention in the field of soil science and plant nutrition, due to its high toxicity. There are several known mechanisms that confer plants the ability to tolerate the presence of cadmium, the most common being the complexation of the metal ions by specific peptides, which prevent them from interfering with the most important metabolicreactions. These peptides are largely distributed throughout the plant kingdom and are commonly known as phytochelatins orclass III methallothioneins. Phytochelatins are a cystein-rich isopeptide family, formed by several repeated units of de γ-glutamilcystein (γ-Glu-Cys) with a Gly terminal or a β-Ala, in the case of homophytochelatins. Their synthesisis exclusively activated in the presence of metals through the transpeptidation ofglutathione or homoglutathione.It has been suggested that higher degrees of stress or exposure are related to a higher synthesis of these polythiols and to an increase of the γ-Glu-Cys repeats. The chelation mechanism is still poorly understood, however, it is of general belief that it is processed in two phases: a low molecular weight complex (LMW) is firstly formed with Cd 2+in the cytsol; then is transported to the vacuole, were more Cd 2+ and S2- ions are added, forming a higher weighted complex (HMW). The work here presented describes an analysis of the toleranceresponses of Pisum sativum L. “Resal” to different degrees of cadmium exposure, focusing mainly on its toxic effects and on the qualitative andquantitative evaluation of the phytochelatin synthesis, as well as the HMW andLMW complex formation. In a first stage, different plant organ responses to 9 and 75-day exposures to the different cadmium concentrations, 1, 3, 30, 60 e 120 μM, was studied. Itwas observed that the presence of growing metal concentrations induced ageneral growth and productivity reduction, as well as high metal accumulation.However, in the lower and more realistic concentrations (1 and 3 μM), plantswere able to withstandthe imposed stress and maintain normal growth. Rootswere the main targets for cadmium accumulation; nevertheless fruitsaccumulated cadmium in such levels that may be hazardous to human health. The relation between the different metal concentrations and phytoquelatin ortheir isoforms production was analysed. Cadmium exposure induced anincrease in constitutive thiol homoglutathione and cysteine and in γEC peptides, synthesized as a response to stress, as well a concomitant GSHdecrease. In tolerable concentrations, plants were able to cope with stress dueto an increase in phytochelatn and homophytochelatin synthesis. However, in higher concentrations it was apparent that the GSH depletion, necessary to thedefence mechanism activation, as well as the cadmium high toxic effects,induced incapacity to maintain normal growth. The importance of chelating peptides in intracellular cadmium complexation was equally demonstrated along a 15-day exposure to 3μM.It was proved that in P. sativum L. “Resal” plants,metal sequestration was based on the formation of three complexes, with different molecular weights, two of which were identified as the two complexes described by other authors (LMWand HMW). The sequestration capacity and sulphide accumulation indicatedan increase of the HMW complex predominance and its importance in growing intracellular cadmium concentrations tolerance, as well as a transient role of LMW in metal complexation. The data presented also reflect the growingimportance that these complexes formation has on the sequestration of thecadmium absorbed by the roots and their relation to root growth.