The differential expressions of aquaporins underline the diverse strategies of cucumber and tomato against salinity and zinc stress

Resumo

A salinidade e o excesso de zinco são dois dos principais problemas que têm limitado a agricultura nos últimos anos. As aquaporinas são cruciais na regulação da passagem de água e solutos através das células e podem ser essenciais para mitigar estresses abióticos. No presente estudo, a resposta adaptativa à salinidade moderada (60 mM NaCl) e ao excesso de Zn (1 mM ZnSO4) foi comparada, isoladamente e em combinação, em Cucumis sativus L. e Solanum lycopersicum L. Foram analisadas as relações hídricas, as trocas gasosas e a expressão diferencial de todas as aquaporinas. Os resultados mostraram que as plantas de pepino sob salinidade mantiveram o movimento interno de água por meio de ajuste osmótico e da superexpressão de aquaporinas PIPs específicas, seguindo uma “estratégia de conservação”. Como o tomateiro apresenta alta tolerância à salinidade, os parâmetros fisiológicos e a expressão da maioria das aquaporinas permaneceram inalterados. O ZnSO4 mostrou-se estressante para ambas as espécies. Enquanto o pepino aumentou a expressão de 7 isoformas de aquaporinas, no tomateiro a expressão das aquaporinas aumentou de forma generalizada. Apesar das diferenças, as relações hídricas e a transpiração foram ajustadas em ambas as plantas, permitindo manter o conteúdo relativo de água (RWC) na parte aérea. A regulação das aquaporinas no pepino sob estresse NaCl+ZnSO4 foi semelhante nos dois tratamentos contendo NaCl, evidenciando a predominância do sal no estresse. No tomateiro, porém, a expressão induzida de isoformas específicas para lidar com o estresse combinado diferiu daquela observada nos estresses isolados. Os resultados esclarecem o papel-chave da regulação das aquaporinas no enfrentamento de estresses abióticos e seu possível uso como marcadores de tolerância à salinidade e a metais pesados em plantas.

Abstract

Salinity and excess zinc are two main problems that have limited agriculture in recent years. Aquaporins are crucial in regulating the passage of water and solutes through cells and may be essential for mitigating abiotic stresses. In the present study, the adaptive response to moderate salinity (60 mM NaCl) and excess Zn (1 mM ZnSO4) were compared alone and in combination in Cucumis sativus L. and Solanum lycopersicum L. Water relations, gas exchange and the differential expression of all aquaporins were analysed. The results showed that cucumber plants under salinity maintained the internal movement of water through osmotic adjustment and the overexpression of specific PIPs aquaporins, following a “conservation strategy”. As tomato has a high tolerance to salinity, the physiological parameters and the expression of most aquaporins remained unchanged. ZnSO4 was shown to be stressful for both plant species. While cucumber upregulated 7 aquaporin isoforms, the expression of aquaporins increased in a generalized manner in tomato. Despite the differences, water relations and transpiration were adjusted in both plants, allowing the RWC in the shoot to be maintained. The aquaporin regulation in cucumber plants facing NaCl+ZnSO4 stress was similar in the two treatments containing NaCl, evidencing the predominance of salt in stress. However, in tomato, the induced expression of specific isoforms to deal with the combined stress differed from independent stresses. The results clarify the key role of aquaporin regulation in facing abiotic stresses and their possible use as markers of tolerance to salinity and heavy metals in plants.