Proteômica diferencial e caracterização fisiológica de dois clones de Coffea canephora sob déficit hídrico

Abstract

Compreender os mecanismos como plantas respondem ao estresse hídrico é crucial para prever os impactos das alterações climáticas sobre a produtividade das culturas e dos ecossistemas. As plantas possuem mecanismos de sinalização raiz-parte aérea que geram a orquestração de respostas adaptativas. A sinalização pela raiz, assim como pela parte aérea, é freqüentemente considerada importante em regular o crescimento em resposta a condições adversas do meio ambiente. O presente trabalho teve por objetivo integrar os resultados obtidos em café robusta até o presente momento através de estudos de proteínas diferencialmente expressas no sistema radicular em clones com tolerância diferencial (120 tolerante, 109A sensível) sob condições de déficit hídrico e ainda avaliar as respostas fisiológicas diferenciais em resposta as condições de déficit hídrico sob imposição rápida de estresse. As plantas foram avaliadas em condições de plena irrigação (controle) e sob déficit hídrico imposto pela suspensão da irrigação, até que as plantas atingiram um potencial hídrico na antemanhã (Yam) de -1,5 ± 0,20 MPa (moderado), e -3,0 ± 0,20 MPa (severo). As proteínas diferencialmente expressas de raízes foram analisadas através de géis bidimensionais associados a seqüenciamento por espectrometria de massa (MALDI-TOF-TOF). Em condições de déficit hídrico, o clone 109A apresentou uma redução na abundância relativa em 39 spots, e um aumento em 18 spots. O clone 120 apresentou uma redução na abundância relativa em 38 spots e um aumento em 19 spots. A análise do proteoma diferencial em raízes destes dois clones revelou mecanismos de tolerância e aclimatação ao déficit hídrico relacionados a metabolismo de carboidratos, metabolismo hormonal, metabolismo energético, morte celular programada, resposta a estresses abióticos e bióticos, detoxificação celular, estresse oxidativo, reparo de DNA e processamento protéico. As análises de trocas gasosas e de fluorescência da clorofila a mostraram que estes clones exibem mecanismos diferenciais em resposta às condições de déficit hídrico, como já relatado. O clone sensível (109A) apresentou mecanismos relacionados ao dreno do excesso de energia e aumento da dissipação térmica sob déficits hídricos moderados. Porém, em condições de déficit hídrico severo estes mecanismos não se apresentaram mais eficientes neste clone. Por outro lado, o clone tolerante (120) sob condições de déficit hídrico severo apresentou uma redução do rendimento quântico efetivo (oPSII) associado à redução nas taxas de transporte de elétrons (ETR) e no coeficiente de extinção não-fotoquímica (NPQ), seguido de um aumento da fração de energia absorvida não utilizada na fotoquímica nem dissipada termicamente (PE). Entretanto este aparente excesso de energia não foi traduzido em danos oxidativos, sugerindo outros tipos de mecanismos envolvidos no dreno do excesso de energia, como modulação de proteínas dos fotossistemas.

Understanding the mechanisms by which plants respond to water stress is crucial to predict the climate change impacts on crop productivity and ecosystems. Plants have long- distance root-to-shoot signaling mechanisms that generate the orchestration of adaptive responses. Root system signaling, as well as shoot, is often considerate important in growth control in response to environmental adverse conditions. This study aimed to integrate the results obtained in robusta coffee through studies of proteins differentially expressed in the root system in clones with differential tolerance (120 tolerant, 109A susceptible) upon water deficit conditions and also evaluate the differential physiological responses upon fast imposed water deficit conditions. The plants were evaluated upon full irrigation (control) and under water deficit imposed by the suspension of irrigation, until the plants reached water potential (Yam) of -1.5 ± 0.20 MPa (moderate) and -3.0 ± 0.20 MPa (severe). The root differentially expressed proteins were analyzed by two- dimensional gels associated to sequencing by mass spectrometry (MALDI-TOF-TOF). Upon drought, 109A clone showed a reduction in relative abundance in 39 spots, and an increase in 18 spots. 120 clone showed a reduction in relative abundance in 38 spots and an increase in 19 spots. The analysis of root differential proteome in these two clones revealed mechanisms of tolerance and acclimation to water deficit related to carbohydrate metabolism, hormone metabolism, energy metabolism, programmed cell death, abiotic and biotic stresses response, cellular detoxification, oxidative stress, DNA repair and protein processing. The analysis of gas exchange and chlorophyll fluorescence showed that these clones exhibited differential mechanisms in response to water deficit conditions, as already reported. The sensitive clone (109A) showed mechanisms related to drain the excess energy and increase the heat dissipation under moderate water deficit. However, under conditions of severe drought these mechanisms were no more efficient in this clone. On the other hand, tolerant clone (120) under conditions of severe drought showed reduction in effective quantum yield (oPSII) associated with a reduction in electron transport rate (ETR) and non-photochemical extinction coefficient (NPQ), followed by an increase in the fraction of absorbed light that was neither used in photochemistry nor dissipated thermally (PE). However this apparent excess of energy was not translated in oxidative damage, suggesting other types of mechanisms involved in the drainage of energy excess, as the modulation of photosystem proteins.