High dose of nickel unbalances carbon metabolism and nitrogen assimilation in barley (Hordeum vulgare L.)

Resumo

A poluição por metais pesados representa uma das ameaças mais importantes para as culturas. Entre estes, o Níquel (Ni) é um elemento perigoso, estritamente relacionado à atividade antrópica e facilmente acumulado nas plantas. Neste estudo, foram investigados os efeitos de altos níveis (1 mM) de Ni²⁺ em cevada (Hordeum vulgare L. cv. Nure) cultivada hidroponicamente, induzindo uma grave redução no crescimento das plantas, bem como danos genotóxicos. Além disso, o estresse afeta a fotossíntese, induzindo uma diminuição em Fv/Fm e ΦPSII e um aumento na abundância da proteína D1 e da RuBisCO (RbcL) para compensar a perda de eficiência fotossintética. Foram observadas alterações no metabolismo do carbono, com aumentos na expressão da fosfofrutocinase, gliceraldeído-3P desidrogenase-NAD⁺ e piruvato quinase, confirmados pelo aumento de proteínas e atividades. Notavelmente, houve um evidente aumento na atividade, presença e expressão da carboxilase do PEP. Esse aumento impulsiona o ciclo do TCA (aumento da fumarase) e sustenta a fotorrespiração. Aumentos evidentes também foram observados para a atividade e presença da glicose-6P desidrogenase. O estresse por Ni²⁺ induziu um aumento evidente nas enzimas envolvidas no metabolismo do nitrogênio: particularmente, o ciclo cloroplástico GS2/Fd-GOGAT e a assimilação de N através da reação da glutamato desidrogenase citosólica foram intensificados. Esses resultados delineiam um metabolismo específico de resposta ao estresse, desviando a síntese de compostos nitrogenados por meio de vias alternativas de assimilação C/N para neutralizar os efeitos da toxicidade do Ni²⁺. Este estudo descreve um desvio da principal rede metabólica C/N em direção a um aumento na assimilação de N nas folhas, utilizando esqueletos de carbono da fixação escura de CO₂ sob alto estresse por Ni²⁺. Esses resultados podem fornecer possíveis alvos para a melhoria da tolerância a metais pesados em cereais.

Abstract

Pollution from heavy metals represents one of the most important threats to crops. Among these, Nickel (Ni) represents a dangerous element, strictly related to anthropic activity and easily accumulated in plants. In this study, effects of high levels (1 mM) of Ni2+ were investigated in barley (Hordeum vulgare L. cv. Nure) grown hydroponically, inducing a severe reduction in plant growth, as well as genotoxic damage. Moreover, stress affects photosynthesis, inducing a decrease in Fv/Fm and ΦPSII and an increase in D1 protein and RuBisCO (RbcL) abundance to compensate for the loss of photosynthetic efficiency. Changes were observed in carbon metabolism, with increases in phosphofructokinase, glyceraldehyde-3P dehydrogenase-NAD+, and pyruvate kinase expression confirmed by increased proteins and activities. Notably, there was an evident rise in PEP carboxylase activity, presence, and expression. This increase boosts the TCA cycle (increased fumarase) and supports photorespiration. Evident rises were observed also for glucose-6P dehydrogenase activity and presence. Ni2+ stress induced an evident increase in enzymes involved in nitrogen metabolism: particularly, the chloroplastic GS2/Fd-GOGAT cycle and N assimilation through the cytosolic glutamate dehydrogenase reaction were enhanced. These results design a specific stress-responsive metabolism by diverting the synthesis of N-compounds through alternative C/N assimilation pathways to counteract the effects of Ni2+ toxicity. This study depicts a diversion of the main C/N metabolism network towards an increase in leaf N assimilation, using carbon skeletons from dark CO2 fixation under high Ni2+ stress. These results may provide possible targets for the improvement of heavy metal tolerance in cereals.