Multiple ways of nitric oxide production in plants and its functional activity under abiotic stress conditions

Resumo

O óxido nítrico (NO) é uma molécula sinalizadora endógena que desempenha um papel importante na ontogênese vegetal e nas respostas a diferentes estresses. Os fatores de estresse abiótico mais amplamente difundidos que limitam significativamente o crescimento das plantas e a produtividade das culturas são seca, salinidade, hipo e hipertermia, e excesso de íons de metais pesados (MP). Dados sobre a acumulação de NO endógeno sob fatores de estresse e sobre o alívio de seus efeitos negativos sob tratamentos exógenos com NO indicam as perspectivas de sua aplicação prática para melhorar a resistência ao estresse e a produtividade das plantas. Isso requer conhecimento fundamental do metabolismo do NO e dos mecanismos de sua ação biológica nas plantas. A geração de NO ocorre nas plantas por dois mecanismos alternativos principais: oxidativo ou redutivo, em reações espontâneas ou enzimáticas. O NO participa do desenvolvimento vegetal controlando os processos de germinação de sementes, crescimento vegetativo, morfogênese, transição floral, maturação de frutos e senescência. Sob condições de estresse, o NO contribui para a proteção antioxidante, ajuste osmótico, normalização do balanço hídrico, regulação da homeostase iônica celular, manutenção das reações fotossintéticas e processos de crescimento das plantas. O NO pode exercer ação regulatória induzindo modificações pós-traducionais (MPTs) de proteínas, alterando a atividade de diferentes enzimas ou fatores de transcrição, modulando a expressão de uma enorme quantidade de genes, incluindo aqueles relacionados à tolerância ao estresse. Esta revisão resume os dados atuais sobre os mecanismos moleculares de produção de NO e sua atividade em plantas durante a regulação de seu ciclo de vida e adaptação à seca, salinidade, estresse térmico e íons de MP.

Abstract

Nitric oxide (NO) is an endogenous signaling molecule that plays an important role in plant ontogenesis and responses to different stresses. The most widespread abiotic stress factors limiting significantly plant growth and crop yield are drought, salinity, hypo-, hyperthermia, and an excess of heavy metal (HM) ions. Data on the accumulation of endogenous NO under stress factors and on the alleviation of their negative effects under exogenous NO treatments indicate the perspectives of its practical application to improve stress resistance and plant productivity. This requires fundamental knowledge of the NO metabolism and the mechanisms of its biological action in plants. NO generation occurs in plants by two main alternative mechanisms: oxidative or reductive, in spontaneous or enzymatic reactions. NO participates in plant development by controlling the processes of seed germination, vegetative growth, morphogenesis, flower transition, fruit ripening, and senescence. Under stressful conditions, NO contributes to antioxidant protection, osmotic adjustment, normalization of water balance, regulation of cellular ion homeostasis, maintenance of photosynthetic reactions, and growth processes of plants. NO can exert regulative action by inducing posttranslational modifications (PTMs) of proteins changing the activity of different enzymes or transcriptional factors, modulating the expression of huge amounts of genes, including those related to stress tolerance. This review summarizes the current data concerning molecular mechanisms of NO production and its activity in plants during regulation of their life cycle and adaptation to drought, salinity, temperature stress, and HM ions.