Phytochelatin signal tranduction and cadmium chelation in plants

As plantas utilizam diversas estratégias de sinalização para reconhecer e responder aos stresses ambientais. A maioria das vias de transdução de sinais partilham um sinal genérico, normalmente a modulação dos níveis intracelulares de Ca2+. Esta por sua vez pode iniciar uma cascata de fosforilação proteica que finalmente afecta as proteínas directamente envolvidas na protecção celular ou culmina em factores de transcrição que vão determinar a resposta fisiológica ao stresse. A percepção destes sinais e a compreensão de como estes podem activar as respostas adaptativas são factores-chave para a tolerância das plantas a stresses abióticos. Um dos principais stresses abóticos que restrigem o crescimento das plantas é a presença de metais pesados. A produção de fitoquelatinas e a subsequente quelação dos metais é o mecanismo mais conhecido de tolerância ao stresse metálico em plantas. Fitoquelatinas (PCs) são péptidos com grupos tiol que são sintetizados através da transpeptidação da glutationa (GSH), pela acção da enzima fitoquelatina sintase (PCS). No entanto, até ao momento, as vias de sinalização que levam à síntese de fitoquelatinas e à percepção do stresse metálico são pouco compreendidas. Dentro deste contexto, o presente trabalho foi elaborado com o intuito de elucidar a via de sinalização através da qual o cádmio é detectado pelas células vegetais e induz a síntese de PCs. Quase todos, os estudos de stresses abióticos em plantas apontam para o facto de a sua sinalização se basear nos mesmos tipos de sinais moleculares, nomeadamente a sinalização por cálcio, a fosforilação proteica e a indução de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Trabalhos recentes sugerem que a sinalização de PCs poderá envolver todos estes parâmetros. Assim, uma primeira abordagem foi efectuada para compreender a síntese de PCs na espécie Arabidopsis thaliana, através da monitorizaçção da actividade de enzimas relacionadas, a γ-EC sintetase, GSH sintetase e a PC sintase (PCS), assim como o tempo necessário para o elongamento das PCs e a sua acumulação. Seguidamente, ao longo deste processo foi analisada a expressão de sinais específicos, associados com sinais de cálcio, fosforilação proteica e sinalização por ROS. A importância destes factores na síntese de PCs foi também avaliada através do uso de moduladores farmacológicos de cálcio e fosfatases proteicas e também pela indução de stresse oxidativo. Os resultados demonstraram novos dados sobre o papel do cálcio e da fosforilação proteica na produção de PCs e na síntese de GSH, revelando que a actvidade da PCS é regulada por fosforilação e que a sinalização de cálcio pode mediar a síntese de GSH. O envolvimento da sinalização de ROS na síntese de GSH, atráves de crosstalk com a sinalização de cálcio também foi proposta. Assim, os resultados aqui apresentados descrevem uma possível via de sinalização de cádmio nas plantas e da indução de fitoquelatinas. Este trabalho poderá ser portanto muito útil na implementação de novas metodologias de agricultura sustentável e práticas de fitorremediação em solos contaminados com metais pesados.

Plants use diverse signalling strategies for recognizing and responding to environmental stresses. Most stress signal transduction pathways share a generic signal perception, usually the modulation of intracellular Ca2+ levels, which initiates a protein phosphorylation cascade that finally targets proteins directly involved in cellular protection or transcription factors controlling specific sets of stress-regulated genes. Perception of stress clues and relay of the signals to switch on adaptative responses are the key steps leading to stress tolerance. One of the major growth restraining stresses experienced by plants is heavy metal-induced stress. Phyhtochelatin (PC) production and metal chelation is the most well-known mechanism of metal tolerance in plants. PCs are non protein thiols that are synthesised by the transpeptidation of glutathione, through the catalytic activity of the enzyme phytochelatin synthase. Until now, the pathways by which PC synthesis is triggered in plants remains to be elucidated. Under this context this work was elaborated with the aim to clarify the pathway by which Cd is detected by the plant cells and induces PC synthesis. Most of all, if not all signal transduction studies in plants exposed to abiotic stresses point out the fact that stress signaling in plants relies on the same signals, but with different specificities, involving mostly calcium signaling, protein phosphorylation and ROS induction. Recent works suggest that metal stress detection and PC synthesis involves all of these components. Hence, a first approach was made in order to understand the process of PC synthesis and Cd chelation in Arabidopsis thaliana , monitoring the activity of the enzymes related to GSH and PC synthesis, such as GSH synthethase, γ-EC synthethase and PC synthase (PCS) as well as the timing for PC elongation and accumulation. Then, throughout the time-course development of PC synthesis and Cd chelation we monitored the expression of specific signal transducers associated with calcium signatures, protein phosphorylation and ROS signaling. We also assed their importance in PC synthesis, in the presence of specific pharmacological modulators of these signaling components. Results provided important insights on the role of calcium and protein phosphorylation in PC production and GSH synthesis, showing that PC synthase activity is modulated by protein phosphorilation and that calcium is required for GSH synthesis. The involvement of ROS signaling in GSH production, through calcium signaling was also suggested. Taken altogether, results presented here describe a possible pathway for Cd signaling and PC induction in plants and can help to introduce novel practices of sustainable crop management and phytoremediation methodologies in metal contaminated soils.

Doutoramento em Biologia