Tolerance response of Solanum cheesmaniae and Solanum lycopersicum to copper: the role of the antioxidant system and copper transporters

Abstract

Copper (Cu) is an abundant heavy metal (HM) in the environment due to anthropogenic activities and natural sources. In excess, Cu easily become phytotoxic to most species, once this HM can interfere with essential nutrient uptake from rhizosphere. Therefore, Cu accumulation in plants is considered a threat to the environment and public health since it can easily enter food chains. Thus, the development of new strategies that ensure both crop yield and nutritional quality is of most importance. The present study aimed to compare the physiological and molecular responses of Solanum cheesmaniae and Solanum lycopersicum to Cu stress, in particular those related to antioxidant defense and to Cu transport and compartmentation. Some studies are already available regarding the responses of S. lycopersicum to Cu excess, so we wanted to address the hypothesis that S. cheesmaniae is more adapted to Cu stress than S. lycopersicum, since the former is more resistant to salt stress than the latter. Results showed that the germination rate of S. lycopersicum seeds were not affected by up to 2.5 mM Cu 7 days after treatment, while higher Cu concentrations negatively affected the growth of the seedlings and induced signs of necrosis and cell death. The application of 250 μM Cu negatively affected biometric parameters of both species cultivated in 0.25 x Hoagland solution for 28 days, but the biomass and length of both roots and shoots of S. lycopersicum plants were more affected by Cu stress. Cu treatment did not significantly alter chlorophylls and carotenoids levels in both species. Biomarkers of oxidative status (TBARS, H2O2 and O2.- levels) revealed a more pronounced imbalance in the redox homeostasis in shoots of S. lycopersicum plants treated with excess Cu than in S. cheesmaniae. Quantification of total phenols and flavonoids demonstrated an activation of the non-enzymatic antioxidant system in both species in response to excess Cu. Furthermore, the activity of key antioxidant enzymes clearly differed in both species in response to Cu, apart superoxide dismutase (SOD) whose activity increased in the roots of S. cheesmaniae and S. lycopersicum. Ascorbate peroxidase (APX) activity increased in S. cheesmaniae shoots and decreased in S. lycopersicum roots, while catalase (CAT) activity decreased in both species, except in S. cheesmaniae shoots. Cu quantification performed by flame-atomic absorption spectroscopy showed that both species preferentially accumulated Cu in the radicular system, though a great increase in the aerial parts of S. lycopersicum was also measured. The response to Cu excess of S. lycopersicum and S. cheesmaniae COPT4, COPT5 and COPT6, which are small integral membrane proteins that catalyze Cu uptake into cells, was also investigated by qPCR analysis. Results showed that SlCOPT5 expression increased by 30-fold in roots of S. lycopersicum cultivated with excess Cu, suggesting that it may have a pivotal role in Cu homeostasis in roots. Overall, results validated the hypothesis that S. cheesmaniae is more tolerant to excess Cu than S. lycopersicum and the new knowledge will facilitate future work on the development of breeding strategies.

O cobre (Cu) é um metal pesado (MP) abundante na natureza, estando os seus níveis a aumentar devido a atividades antropogénicas e a causas naturais. Em excesso, o Cu torna-se facilmente fitotóxico para a maior parte das espécies, uma vez que este MP é capaz de interferir com a assimilação e absorção de nutrientes essenciais a partir da rizosfera. Neste sentido, a acumulação de Cu pelas plantas é já considerada uma grande ameaça para o ambiente e saúde pública, dado que este elemento consegue entrar nas cadeias alimentares de uma forma relativamente rápida. Assim, torna-se crucial desenvolver novas estratégias que permitam garantir a produtividade e qualidade nutricional das culturas. O principal objetivo do presente trabalho consistiu no estudo comparativo de algumas respostas moleculares e fisiológicas de Solanum cheesmaniae e Solanum lycopersicum expostas a elevados níveis de Cu, em particular ao nível do sistema antioxidante e dos mecanismos de transporte e compartimentalização do Cu. Estudos anteriores evidenciaram algumas das respostas de S. lycopersicum ao excesso de Cu, pelo que no presente trabalho pretendemos validar a hipótese que S. cheesmaniae é uma espécie mais tolerante ao Cu que S. lycopersicum, uma vez que é mais resistente ao stress salino. A taxa de germinação de sementes de S. lycopersicum não foi afetada por concentrações crescentes de Cu até 2,5 mM avaliada após 7 dias de exposição, ainda que para as concentrações superiores o crescimento das plântulas tenha sido inibido e se tenham desenvolvido diversos sinais de necrose e morte celular. Os nossos resultados demonstraram que os parâmetros biométricos de ambas as espécies, irrigadas com uma solução nutritiva de 0.25 x Hoagland durante 28 dias, foram afetados pela aplicação de Cu a 250 μM, embora a produção de biomassa e o comprimento da raiz e da parte aérea de S. lycopersicum tenham sido claramente mais afetados. O tratamento com Cu não alterou de forma significativa o teor em clorofilas e carotenoides. Os marcadores de stress oxidativo (conteúdo de TBARS, H2O2 e O2.-) revelaram um maior desequilíbrio da homeostasia redox na parte aérea de plantas de S. lycopersicum tratadas com excesso de Cu, quando comparadas com S. cheesmaniae. A quantificação dos fenóis totais e dos flavonoides revelou a ativação da componente não enzimática do sistema antioxidante em ambas as espécies. Para além disso, a atividade das principais enzimas antioxidantes em reposta ao excesso de Cu diferiu bastante entre as duas espécies, com a exceção da superóxido dismutase (SOD), cuja atividade aumentou nas raízes de S. cheesmaniae e S. lycopersicum. A atividade da peroxidase do ascorbato (APX) aumentou na parte aérea de S. cheesmaniae e decresceu significativamente nas raízes de S. lycopersicum, enquanto a atividade da catalase (CAT) registou uma diminuição em ambas as espécies, à exceção da parte aérea de S. cheesmaniae. A quantificação do Cu nos tecidos vegetais, através espectroscopia de absorção atómica de chama, revelou que ambas as espécies acumularam mais Cu no sistema radicular, ainda que se tenha também verificado um aumento considerável na parte aérea de plantas de S. lycopersicum. Paralelamente foi avaliado por qPCR o envolvimento dos transportadores de Cu COPT4, COPT5 e COPT6 de S. lycopersicum e S. cheesmaniae em resposta ao excesso de Cu. Os resultados mostraram que a expressão relativa do gene SlCOPT5 aumentou cerca de 30 vezes em raízes de plantas de S. lycopersicum cultivadas na presença de excesso de Cu, sugerindo que este transportador tem um papel de destaque na homeostasia do Cu ao nível dos tecidos da raiz. No seu conjunto, os resultados permitiram validar a hipótese que S. cheesmaniae é uma espécie mais tolerante ao Cu do que S. lycopersicum e obter evidências experimentais importantes para o desenho de estratégias de melhoramento.