Physiological and molecular bases of the nickel toxicity responses in tomato
- H. Yu
- W. Li
- X. Liu
- Q. Song
- J. Li
- J. Xu
Resumo
O níquel (Ni), um componente da urease, é um micronutriente essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, mas o excesso de Ni é tóxico para as plantas. O tomate (Solanum lycopersicum L.) é uma das hortaliças mais importantes do mundo. O uso excessivo de fertilizantes e pesticidas levou à contaminação por Ni nos solos agrícolas, reduzindo assim a produtividade e a qualidade dos tomates. No entanto, os mecanismos moleculares de regulação das respostas à toxicidade do Ni em plantas de tomate ainda não foram amplamente elucidados. Aqui, investigamos os mecanismos moleculares subjacentes à resposta à toxicidade do Ni em plantas de tomate por meio de análises fisio-bioquímicas, transcriptômicas e de redes regulatórias moleculares. A toxicidade do Ni reprimiu a fotossíntese, induziu a formação de raízes laterais em forma de escova e interferiu no acúmulo de micronutrientes em plântulas de tomate. A toxicidade do Ni também induziu o acúmulo de espécies reativas de oxigênio e respostas de estresse oxidativo nas plantas. Além disso, a toxicidade do Ni reduziu as concentrações de fitormônios, incluindo auxina, citocinina e ácido giberélico, retardando assim o crescimento das plantas. A análise do transcriptoma revelou que a toxicidade do Ni alterou a expressão de genes envolvidos nas vias do metabolismo de carbono e nitrogênio. Em conjunto, esses resultados fornecem uma base teórica para a identificação de genes-chave que podem reduzir o acúmulo excessivo de Ni em plantas de tomate e são úteis para garantir a segurança alimentar e o desenvolvimento agrícola sustentável.
Abstract
Nickel (Ni), a component of urease, is a micronutrient essential for plant growth and development, but excess Ni is toxic to plants. Tomato (Solanum lycopersicum L.) is one of the important vegetables worldwide. Excessive use of fertilizers and pesticides led to Ni contamination in agricultural soils, thus reducing yield and quality of tomatoes. However, the molecular regulatory mechanisms of Ni toxicity responses in tomato plants have largely not been elucidated. Here, we investigated the molecular mechanisms underlying the Ni toxicity response in tomato plants by physio-biochemical, transcriptomic and molecular regulatory network analyses. Ni toxicity repressed photosynthesis, induced the formation of brush-like lateral roots and interfered with micronutrient accumulation in tomato seedlings. Ni toxicity also induced reactive oxygen species accumulation and oxidative stress responses in plants. Furthermore, Ni toxicity reduced the phytohormone concentrations, including auxin, cytokinin and gibberellic acid, thereby retarding plant growth. Transcriptome analysis revealed that Ni toxicity altered the expression of genes involved in carbon/nitrogen metabolism pathways. Taken together, these results provide a theoretical basis for identifying key genes that could reduce excess Ni accumulation in tomato plants and are helpful for ensuring food safety and sustainable agricultural development.
