Organic acid carriers in tolerance to toxic aluminum in wheat / Transportadores de ácidos orgânicos na tolerância ao alumínio tóxico em trigo

ABSTRACT: Aluminum (Al) toxicity in plants is seen in about 15% of the soils worldwide, restraining yields in arable land. In Brazil, acidic soils limit production of wheat (Triticum aestivum L.) and other cereals. Al is toxic for most winter cereals when its concentration increases and soil pH is below 5. One of the main concerns with acidic soil is the increase in the mobility of Al3+ions. Al binds to cell walls in roots, preventing meristematic elongation in sensitive species, causing damage to the root system and results in lower yields. Al3+ forms highly stable complexes with phosphorus (P), limiting its availability to plants, as well as reducing cell division and elongation. To deal with Al toxicity, plants have developed strategies such as organic acid (OA) exudation by roots; this mechanism of detoxification has been well-characterized. OAs, in turn, chelate ions Al3, forming non-toxic compounds that do not penetrate the root system. Some genes responsible for Al tolerance in wheat have been identified, particularly TaALMT1 and TaMATE1B that transport malate and citrate OAs, respectively. In this review, we discussed the mechanisms by which Al damages roots those by which plants are protected, primarily through two genes. We also described the interaction of the ALMT1 gene with P and iron (Fe).

RESUMO: A toxicidade do alumínio (Al) às plantas é observada em cerca de 15% dos solos no planeta, sendo um fator restritivo à produtividade em terras cultiváveis. No Brasil, os solos ácidos são limitantes à produção de trigo (Triticum aestivum L.) e outros cereais. O Al é tóxico para a maioria dos cereais de inverno, quando a sua concentração aumenta e o pH do solo atinge valores inferiores a 5. Uma das principais preocupações sobre o solo ácido é o aumento da mobilidade dos íons Al3+. O Al pode se ligar as paredes celulares das raízes e, como consequência, impedir o alongamento meristemático em espécies sensíveis, provocando danos ao sistema radicular, que resulta em menor desempenho agronômico das plantas. O Al3+ é também capaz de formar complexos altamente estáveis com fósforo (P), limitando sua disponibilidade para as plantas, e também reduzindo a divisão e o alongamento celular. Para lidar com a toxicidade ao Al, as plantas desenvolveram algumas estratégias como a exsudação de ácido orgânicos (AOs) pelas raízes, sendo este mecanismo de destoxificação bem caracterizado. Os AOs, por sua vez, quelam ions Al3+ formando compostos não tóxicos que não penetram no sistema radicular. Alguns genes responsáveis pela tolerância ao Al em trigo foram identificados, com ênfase para TaALMT1 e TaMATE1B, que exsudam os AOs malato e citrato, respectivamente. Nesta revisão, discutimos os mecanismos pelos quais Al danifica raízes, bem como plantas protegem-se, através de dois genes principalmente. Também apresentamos a interação do gene ALMT1 com P e ferro (Fe).

Is a non-synonymous SNP in the HvAACT1 coding region associated with acidic soil tolerance in barley?

Abstract The barley HvAACT1 gene codes for a citrate transporter associated with tolerance to acidic soil. In this report, we describe a single nucleotide polymorphism (SNP) in the HvAACT1 coding region that was detected as T-1,198 (in genotypes with lower root growth on acidic soil) or G-1,198 (greater root growth) and resulted in a single amino acid change (L/V-172). Molecular dynamic analysis predicted that HvAACT1 proteins with L or V-172 were stable, although the substitution led to structural changes within the protein. To evaluate the effect of the SNP on tolerance to acidic soil, barley accessions were separated into haplotypes based on the presence of a 1 kb insertion in the HvAACT1 promoter and a 21 bp insertion/deletion. These markers and the SNP-1,198 allowed the identification of five haplotypes. Short-term soil experiments showed no difference in root growth for most of the accessions containing the 21 bp insertion and T or G-1,198. In contrast, genotypes showing both the 21 bp deletion and G-1,198, with one of them having the 1 kb insertion, showed greater root growth. These results indicate that the SNP was not advantageous or deleterious when genotypes from the same haplotype were compared. The occurrence of the SNP was highly correlated with the 21 bp insertion/deletion that, together with the 1 kb insertion, explained most of the barley tolerance to acidic soil.

Tolerância ao alumínio tóxico em germoplasma brasileiro elite de aveia / Aluminum tolerance in elite Brazilian oat germplasm

A presença de alumínio (Al) reduz o rendimento em solos ácidos ou em áreas onde o subsolo possui pH abaixo de 5, pois limita o crescimento radicular e, consequentemente, a absorção de água e nutrientes. Genótipos elite de aveia (Avena sativa L.) não selecionados para a tolerância ao Al foram avaliados quanto a essa característica em solução nutritiva. Foi utilizada, como parâmetro de comparação da tolerância ao Al, a média de recrescimento radicular após a exposição ao Al. O recrescimento da raiz principal dos genótipos elite foi comparado com os controles UFRGS17, considerado tolerante e UFRGS930598-6, sensível. Foram avaliadas as linhagens UFRGS057005-1 e UFRGS057022-2, e as cultivares comerciais 'URSGuria', 'URSTorena', 'URSPenca', 'URSGuará', 'URS Charrua', 'URSTarimba', 'URSTaura', 'URSGuapa' e 'URS21'. A amplitude de recrescimento da raiz dentro de cada genótipo foi elevada, sendo a menor de 15mm e a maior de 44mm. As cultivares 'URSCharrua' e 'URSGuapa' demonstraram tolerância superior a 'UFRGS17'. URSTarimba, apesar da média similar a UFRGS17, mostrou distribuição de frequência mais positiva. URSTorena, UFRGS0570005-1 e URSPenca classificaram-se como intermediários, sendo inferiores a UFRGS17. Nenhum dos genótipos elite apresentou médias de recrescimento igual ou inferior às obtidas pelo controle sensível, UFRGS930598-6.

Oat genotypes were evaluated for aluminum (Al) tolerance in hydroponic solution. The ability of growing after being exposed to high Al (root regrowth) was used to evaluate the genotypes. The apical root regrowth for each genotype was compared to the controls: UFRGS17, Al tolerant, and UFRGS930598-6, Al sensitive. Two lines UFRGS057005-1 and UFRGS057022-2 and nine cultivars 'URSGuria', 'URSTorena', 'URSPenca', 'URSGuará', 'URSCharrua', 'URSTarimba', 'URSTaura', 'URSGuapa' and 'URS21' were evaluated. The root regrowth amplitude inside each genotype was high; the smallest one was 15mm and the largest one, 44mm. URSCharrua and URSGuapa showed higher tolerance than UFRGS17. Despite the similar mean to UFRGS17, URSTarimba regrowth frequency had a more positive skewness. URSTorena, UFRGS0570005-1 and URSPenca were classified as intermediate, being inferior to UFRGS17. None of the genotypes showed root regrowth equal or inferior to the sensitive control, UFRGS930598-6.

Ionoma de plantas: cenário atual e perspectivas / Ionomics: current scenario and prospects

Os sistemas biológicos são governados pela soma de todos os genes expressos, proteínas, metabólitos e elementos de um organismo. A análise do ionoma de um tecido auxilia a identificar, entre outros aspectos, genes que contribuam para maior ou menor acúmulo de elementos essenciais e metais pesados, bem como a interação entre processos metabólicos. O conhecimento do ionoma, aliado ao uso de técnicas de biologia molecular, formam um sistema muito eficiente para mapeamento gênico, para estudos de genômica funcional e para caracterização geral do estado fisiológico das plantas em uma determinada condição. Além disso, o estudo do ionoma permite avaliar as interações existentes entre os mais diversos íons das plantas e como a disponibilidade de um íon afeta a absorção e uso de outros. O objetivo desta revisão é apresentar e discutir o ionoma como uma ferramenta importante na elucidação dos mais diversos mecanismos envolvidos na absorção, translocação e acúmulo de elementos essenciais e não-essenciais em plantas e sua relação com o metabolismo delas.

Biological systems are governed by the sum of all expressed genes, proteins, metabolites and components of an organism. The analysis of a tissue ionome helps to identify, among others, genes that contribute to a greater or lesser accumulation of essential elements and heavy metals, as well as interaction between metabolic processes. The ionome knowledge, coupled with the use of molecular biology techniques, form a very efficient system for gene mapping, and functional genomic studies, and general characterization of plants physiological status in a given condition. Another interesting process that the ionome study allows to analyse is the interactions among plants' ions and how such ion availability can affect the absorption and use of others. The aim of this review is to present and discuss the ionome as an important tool in the elucidation of several mechanisms involved in absorption, translocation and accumulation of essential and nonessential elements in plant and its relation with their metabolism.