Reactive oxygen species are signaling molecules that modulate plant reproduction

Resumo

As espécies reativas de oxigênio (ERO) podem servir como moléculas sinalizadoras essenciais para o crescimento e desenvolvimento das plantas, mas o estresse abiótico pode levar a aumentos de ERO a níveis supraótimos, resultando em danos celulares. Para garantir uma sinalização eficiente por ERO, as células possuem maquinaria para sintetizar ERO localmente, a fim de iniciar respostas celulares, e para eliminar ERO, evitando que atinjam níveis danosos. Esta revisão resume evidências experimentais que revelam o papel das ERO durante múltiplos estágios da reprodução vegetal. A síntese localizada de ERO controla a formação de grãos de pólen, as interações pólen-estigma, o crescimento do tubo polínico, o desenvolvimento do ovário e a fertilização. As plantas utilizam enzimas produtoras de ERO, como homólogos da oxidase do estalido respiratório (RBOH, do inglês Respiratory Burst Oxidase Homolog) e vias metabólicas de organelas, para gerar ERO, enquanto a presença de mecanismos de eliminação, incluindo a síntese de proteínas antioxidantes e pequenas moléculas, serve para evitar que atinjam níveis prejudiciais. Nesta revisão, resumimos a função das ERO e seus mecanismos de síntese e eliminação em todos os estágios reprodutivos, desde o desenvolvimento do gametófito até a conclusão da fertilização. Adicionalmente, abordamos o impacto de ERO induzidas por temperaturas elevadas no comprometimento desses processos reprodutivos e o papel dos flavonóis antioxidantes na manutenção da homeostase de ERO para minimizar o estresse térmico, visando combater o impacto das mudanças climáticas globais na agricultura.

Abstract

Reactive oxygen species (ROS) can serve as signaling molecules that are essential for plant growth and development but abiotic stress can lead to ROS increases to supraoptimal levels resulting in cellular damage. To ensure efficient ROS signaling, cells have machinery to locally synthesize ROS to initiate cellular responses and to scavenge ROS to prevent it from reaching damaging levels. This review summarizes experimental evidence revealing the role of ROS during multiple stages of plant reproduction. Localized ROS synthesis controls the formation of pollen grains, pollen-stigma interactions, pollen tube growth, ovule development, and fertilization. Plants utilize ROS-producing enzymes such as respiratory burst oxidase homologs and organelle metabolic pathways to generate ROS, while the presence of scavenging mechanisms, including synthesis of antioxidant proteins and small molecules, serves to prevent its escalation to harmful levels. In this review, we summarized the function of ROS and its synthesis and scavenging mechanisms in all reproductive stages from gametophyte development until completion of fertilization. Additionally, we further address the impact of elevated temperatures induced ROS on impairing these reproductive processes and of flavonol antioxidants in maintaining ROS homeostasis to minimize temperature stress to combat the impact of global climate change on agriculture.