Molecular mechanisms of plant responses to copper: From deficiency to excess

Resumo

O cobre (Cu) é um nutriente essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Este metal serve como elemento constituinte ou cofator enzimático que participa de muitas vias bioquímicas e desempenha um papel fundamental na fotossíntese, respiração, percepção de etileno e sistemas antioxidantes. A significância fisiológica da absorção e compartimentação de Cu em plantas tem sido subestimada, apesar da importância do Cu nos processos metabólicos celulares. Como micronutriente, o Cu tem baixas exigências celulares nas plantas. No entanto, sua biodisponibilidade pode ser significativamente reduzida em solos alcalinos ou ricos em matéria orgânica. A deficiência de Cu é um distúrbio nutricional severo e generalizado que afeta as plantas. Em contraste, níveis excessivos de Cu disponível no solo podem inibir a fotossíntese das plantas e induzir estresse oxidativo celular. Isso pode afetar a produtividade das plantas e potencialmente representar sérios riscos à saúde humana via bioacumulação na cadeia alimentar. As plantas evoluíram mecanismos para regular rigorosamente a absorção, o transporte e a homeostase celular de Cu durante a adaptação ambiental de longo prazo. Esta revisão fornece uma visão geral abrangente das diversas funções de quelantes, chaperonas e transportadores de Cu envolvidos na homeostase do Cu e seus mecanismos regulatórios nas respostas das plantas a condições variáveis de disponibilidade de Cu. Finalmente, identificamos que pesquisas futuras precisam aprimorar nossa compreensão dos mecanismos que regulam a deficiência ou o estresse por Cu em plantas. Isso abrirá caminho para melhorar a eficiência de utilização de Cu e/ou a tolerância ao Cu de culturas cultivadas em solos alcalinos ou contaminados com Cu.

Abstract

Copper (Cu) is an essential nutrient for plant growth and development. This metal serves as a constituent element or enzyme cofactor that participates in many biochemical pathways and plays a key role in photosynthesis, respiration, ethylene sensing, and antioxidant systems. The physiological significance of Cu uptake and compartmentalization in plants has been underestimated, despite the importance of Cu in cellular metabolic processes. As a micronutrient, Cu has low cellular requirements in plants. However, its bioavailability may be significantly reduced in alkaline or organic matter-rich soils. Cu deficiency is a severe and widespread nutritional disorder that affects plants. In contrast, excessive levels of available Cu in soil can inhibit plant photosynthesis and induce cellular oxidative stress. This can affect plant productivity and potentially pose serious health risks to humans via bioaccumulation in the food chain. Plants have evolved mechanisms to strictly regulate Cu uptake, transport, and cellular homeostasis during long-term environmental adaptation. This review provides a comprehensive overview of the diverse functions of Cu chelators, chaperones, and transporters involved in Cu homeostasis and their regulatory mechanisms in plant responses to varying Cu availability conditions. Finally, we identified that future research needs to enhance our understanding of the mechanisms regulating Cu deficiency or stress in plants. This will pave the way for improving the Cu utilization efficiency and/or Cu tolerance of crops grown in alkaline or Cu-contaminated soils.