Aluminum and silicon induced changes in root cell wall composition and structure of Zea mays L
| Autor: | Arthur de Barros Rates |
|---|---|
| Přispěvatelé: | Marcel Giovanni Costa França, Claudia Teixeira Guimarães, Joni Esrom Lima |
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2022 |
| Předmět: | |
| Zdroj: | Repositório Institucional da UFMG Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) instacron:UFMG |
| Popis: | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Aluminium (Al) is the most abundant metal on Earth’s crust. In its cationic form, Al is toxic for most plant species, causing, in the roots, oxidative stress and damage to the cytoskeleton, DNA and energy metabolism. In order to promote detoxification, cells may immobilize Al in cell walls. It is known that Al can be adsorbed into pectic and hemicellulosic polysaccharides, such as homogalacturonan. The presence of Al in the cell wall induces changes in its structure to minimize its impact on cell expansion and division. Silicon (Si) is a beneficial element to plants, and may be a relevant Al stress attenuator, via yet-undescribed mechanisms. In order to investigate Al-induced changes in the cell wall and evaluate the effects of Si addition, two maize lines (Zea mays L.), one sensitive and another resistant to Al, were cultivated with or without the presence of Al and Si and analyzed for changes in the polymer composition of cell wall polysaccharides, via immunofluorescence assays. To complement these results, computational analyses were performed, using the DFT (Density Functional Theory) method, simulating possible chemical structures of complexes between polysaccharides, Al and Si. It was observed that Al and Si induce significant changes in the cell wall composition of both lines. Furthermore, both elements appear to act synergistically, with increased effects being observed in relation to either element alone. There were visible changes in xylan and arabinan fluorescence in both lines, a result previously undocumented in literature. Changes were also found in unmethylsterified homogalacturonan contents, in the sensitive line, and in highly methylsterified homogalacturonan in the resistant line, results supported by current published works. Computational analysis corroborates these results, indicating the possibility of the existence of stable complexes between polymers, Al and Si. These complexes may contribute to the stability of the cell wall. Therefore, this work demonstrated that the interactions between Al and Si in muro are complex and that there are significant changes in the composition of pectic and hemicellulosic fractions, even in polysaccharides with little-known functions. More studies are necessary to better document the physiological roles of these elements in plant cells, and to clarify the specific functions of cell wall polysaccharides in the response to Al stress. O alumínio (Al) é o metal mais abundante da crosta terrestre e na sua forma catiônica é considerado tóxico para a maioria das espécies vegetais, provocando, na raiz, danos ao citoesqueleto, DNA, sistemas antioxidantes e metabolismo energético da célula. Como mecanismo de desintoxicação, a célula pode imobilizar Al em sua parede celular. Sabe-se que Al é capaz de ser retido em polissacarídeos pécticos e hemicelulósicos, como o homogalacturonano. A presença de Al na parede induz modificações em sua composição de forma a atenuar prejuízos aos processos de expansão e divisão celular. O silício (Si) é um elemento benéfico para as plantas e é um possível atenuador do estresse por Al por meio de mecanismos ainda não descritos. De forma a investigar as mudanças induzidas por Al na parede celular e avaliar os efeitos da adição de Si, duas linhagens de milho (Zea mays L.), uma resistente e outra sensível ao Al, foram cultivadas com e sem a presença de Al e Si. Em seguida, verificaram-se as mudanças na composição de polissacarídeos de parede pertencentes às classes de hemiceluloses e pectinas. Para complementar estes resultados, foram feitas análises computacionais utilizando o método DFT (Density Functional Theory) para simular possíveis estruturas químicas de compostos de polissacarídicos ligados a Al e Si. Foi encontrado que Al e Si induzem mudanças significativas na composição da parede celular de ambas as linhagens, sendo que ambos parecem atuar de forma sinergística, exacerbando os efeitos encontrados nos tratamentos com somente Al ou Si. Foram observadas mudanças visíveis na fluorescência de arabinano e xilano em ambas as linhagens, o que ainda não havia sido documentado na literatura. Também houve mudanças no conteúdo de homogalacturonano pouco metilesterificado na linhagem sensível e HG metilesterificado na linhagem resistente, o que corrobora resultados previamente descritos. As análises computacionais corroboram esses resultados, na medida em que se demonstrou a possibilidade de formação de complexos estáveis entre polímeros, Al e Si, os quais podem, inclusive, contribuir para a estabilidade da parede. Portanto, o trabalho demonstrou que as interações entre Al e Si in muro são complexas e que ocorrem mudanças na composição de todas as frações da parede, inclusive em polissacarídeos com funções ainda pouco conhecidas. São necessários mais estudos para melhor documentar os papeis fisiológicos desses elementos nas células, bem como para elucidar quais as funções específicas dos polissacarídeos de parede na resposta ao estresse por Al. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
|