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Sistema redox: adaptação das plantas a estressores abióticos e bióticos

Crédito: Shutterstock

Eugênio Luigi Iorio
PhD em Ciências Bioquímicas, vice-presidente da Academia Mundial de Medicina Integrativa, professor visitante da Uniube, presidente do Observatório Internacional de Estresse Oxidativo, professor e membro do Conselho Internacional do Sannio Tech Inter-University Consortium
Luciano Caixeta Cunha
Mestre em Fitotecnia – Universidade Federal de Uberlândia (UFU) e professor de Fisiologia Vegetal – Unipac Uberlândia

O crescimento, desenvolvimento, saúde e, portanto, o rendimento das plantas depende, entre outros fatores, da eficiência dos mecanismos moleculares de adaptação aos diversos estressores abióticos (por exemplo, seca, poluição por metais pesados) e bióticos (por exemplo, infecções parasitárias).

Dentre esses mecanismos, aquele gerenciado pelo sistema redox e responsável por uma forma particular de estresse, o estresse oxidativo, vem assumindo particular importância. Infelizmente, ao contrário do que tem acontecido no campo humano e veterinário, a transposição dos resultados dos estudos que a investigação científica tem produzido nesta área está dando os primeiros passos há apenas alguns anos.

O objetivo deste artigo é ajudar a acelerar esse processo, pelo menos do ponto de vista teórico, a partir de uma visão geral do papel do sistema redox nos processos de adaptação das plantas a estressores abióticos e bióticos.

Entenda

O sistema redox é um sistema adaptativo ubíquo, presente em qualquer organismo vivo, que explora a passagem de equivalentes redutores (elétrons isolados ou ligados a um próton/íon de hidrogênio na forma de átomos de hidrogênio) de uma espécie química redutora para uma espécie química oxidante, a fim de ativar mecanismos de sinalização ou de defesa em resposta a estressores internos ou externos.

Em seu modo de operação mais simples, o evento estressante ativa uma enzima específica (por exemplo, o análogo da NADPH oxidase), capaz de produzir, direta ou indiretamente, espécies reativas oxidantes, como peróxido de hidrogênio ou radical hidroxila.

Cada uma dessas espécies químicas persegue a finalidade de oxidar, ou seja, extrair um equivalente redutor a um alvo molecular para modular sua ação biológica, no sentido positivo (ativação) ou negativo (inibição) ou para danificá-lo/neutralizá-lo.

Por exemplo, o peróxido de hidrogênio, agindo como uma molécula sinalizadora, pode oxidar determinadas proteínas alvo, como enzimas ou fatores de transcrição; o aumento/redução da velocidade de uma determinada reação química ou, respectivamente, a ativação/inibição da expressão de um gene será o evento molecular reativo que permitirá ao organismo vivo enfrentar o estressor e sobreviver.

Estamos falando, neste caso, de eu-stress oxidativo, uma forma de adaptação completamente fisiológica, que deve ser suportada ou, pelo menos, não impedida. O efeito biológico, é claro, deve ser limitado no tempo: e aqui, neste ponto, entra em ação a rede de espécies redutoras (inapropriadamente chamadas de antioxidantes), prontas para devolver o equivalente redutor ao alvo molecular (enzima ou fator de transcrição) e trazê-lo de volta ao seu estado inicial de atividade.

Já o radical hidroxila, muito mais reativo que o peróxido de hidrogênio, tem a função de oxidar irreversivelmente moléculas ou complexos moleculares potencialmente nocivos, como toxinas ou bactérias, defendendo assim o organismo vivo de infecções ou infestações perigosas. Esta é, também, uma forma de eu-stress, sem a qual seria impossível sobreviver.

Desafios

Crédito: Shutterstock

Infelizmente, se o evento estressante for muito intenso e/ou sua duração ultrapassar um determinado limite de tempo, pode acontecer que o sistema redox, por deficiências genéticas ou adquiridas dos sistemas de modulação antioxidante, seja incapaz de gerenciá-lo, resultando em mudanças quali ou quantitativas na resposta adaptativa, doença ou morte. Aqui está o estresse oxidativo, a ser prevenido e combatido.

As plantas geram continuamente espécies químicas reativas em resposta a vários estresses bióticos ou abióticos.Os principais produtores de espécies reativas são as mitocôndrias; de fato, como acontece nas células animais, também as células vegetais reduzem fisiologicamente 1,0 – 2,0% do oxigênio atmosférico, seguindo a modalidade monovalente, aquela que, de fato, leva à geração, sequencialmente, de ânion superóxido, radical hidroxila e peróxido de hidrogênio.

Contribui para aumentar o nível fisiológico dessas espécies químicas, a atividade dos cloroplastos e peroxissomos. Mesmo a membrana celular, graças ao já mencionado homólogo da NADPH oxidase, produz quantidades significativas de espécies reativas centradas no oxigênio.

Além disso, a exposição à radiação ultravioleta de uma molécula de água faz com que ela se divida em dois radicais livres, hidrogênio e hidroxila (fotólise); se as mesmas radiações, por outro lado, atingirem uma molécula de oxigênio, o efeito será a geração de uma molécula de oxigênio singlete altamente reativa.

Em vez disso, o peróxido de hidrogênio, em contato com um metal de transição (por exemplo, ferro ou cobre) no estado livre, gera o radical hidroxila (reação de Fenton).

Alvo biológico

Cada uma dessas espécies químicas tem seu próprio alvo biológico para atingir e oxidar para modular sua função ou danificá-la/neutralizá-la. O efeito final dependerá da natureza química, da reatividade, da difusibilidade, da faixa de ação das espécies oxidantes, das características físico-químicas do meio (por exemplo, pH, força iônica, pressão osmótica) e, em particular, da capacidade de reduzir / modulação antioxidante do sistema.

A atividade moduladora das plantas em relação às espécies reativas oxidantes é confiada tanto a antioxidantes solúveis de baixo peso molecular (ascorbato, glutationa, carotenóides, α-tocoferol, prolina, polifenóis) quanto a enzimas com atividade antioxidante (catalase, glutationa peroxidase, monodesidroascorbato redutase, desidroascorbato redutase, ascorbato peroxidase e guaiacol peroxidase).

A atividade da superóxido dismutase que catalisa a transformação do ânion superóxido (uma espécie química redutora) em peróxido de hidrogênio (uma espécie química moderadamente oxidante) deve ser considerada separadamente.

Algumas dessas atividades antioxidantes podem ser induzidas. Por exemplo, algumas plantas de arroz afetadas pelo estresse hídrico mostraram ter um nível geral e em média mais alto, em comparação com os controles, de enzimas antioxidantes (ascorbato peroxidase, catalase, glutationa peroxidase, glutationa redutase) e superóxido dismutase.

Da mesma forma, o estresse induzido pelo cobre está associado a uma superexpressão de ácido ascrobic, glutationa, substâncias fenólicas, fitoquelatinas (como oligômeros de glutationa) e açúcares em Colobanthus quinsis (Kunth) Bartl, na Antártida.

Fenômenos adaptativos semelhantes foram observados em plantas de feijão verde (Phaseolus vulgaris L.) afetadas pelo estresse salino.

Benefícios para as plantas

Graças a esta interação entre espécies reativas oxidantes, alvos moleculares e espécies redutoras/antioxidantes, o sistema redox regula o crescimento das raízes, floração, desenvolvimento dos órgãos florais e fotoperiodismo.

As espécies reativas, em particular, são essenciais na regulação da dormência e germinação das plantas, enquanto os antioxidantes influenciam seu crescimento e desenvolvimento, modulando o ciclo reprodutivo (da mitose à senescência até a morte celular). Estamos falando de eu-estresse oxidativo.

Um dos fatores determinantes no funcionamento do sistema redox é o estado nutricional da planta, que por sua vez depende da saúde da microbiota e da contribuição de substâncias inorgânicas e orgânicas.

De fato, a falta de elementos nutricionais, como nitrogênio, fósforo ou enxofre, induz reações metabólicas adaptativas que, se não controladas adequadamente, podem causar di-estresse oxidativo.

Por exemplo, a privação de nitrogênio pode causar um aumento de cinco vezes nos níveis de ácido ascórbico nas folhas de Arabidopsis thaliana e, em geral, um aumento nos níveis de ascorbato e glutationa. A depleção de enxofre também faz com que os níveis de glutationa caiam abaixo de 25%, em comparação com os controles.

Estresse oxidativo

Infelizmente, plantas, animais e humanos, podem desenvolver uma condição de di-estresse oxidativo após exposição intensa e/ou persistente a fatores pró-oxidantes exógenos (exemplo, excesso de iluminação, radiação ionizante, como ultravioleta e gama, ozônio, halogênios, alguns xenobióticos, metais de transição, como ferro, cobre, manganês, níquel, mercúrio, capazes de transformar peróxido de hidrogênio em radical hidroxila, infecções e infestações parasitárias, etc.) como cloroplastos, mitocôndrias, peroxissomos, etc.

O estresse oxidativo ainda não possui codificação específica em Botânica e, portanto, são bastante limitados os estudos disponíveis na literatura em que se tenta, timidamente, transferir as pesquisas para a prática fitopatológica.

Relatamos, como exemplo, os resultados de um estudo não muito recente realizado comparando a atividade de enzimas redox no apoplasto radicular de duas “cepas” de plantas de grão-de-bico (Cicer arietinum L.) WR315 e JG62, respectivamente resistentes e sensíveis a variante altamente virulenta (5) de Fusarium oxysporum f. sp. ciceris.

A exposição ao patógeno foi associada, no apoplasto da cepa suscetível, em relação ao controle, a uma resposta mais precoce no sentido antioxidante (em termos de atividade da superóxido-dismutase e glutationa-redutase) e mais intensa no pró-oxidante (em termos de atividade de diamino-oxidase).

O estudo também encontrou a expressão dos genes lipo-oxigenase (pró-oxidante) e superóxido dismutase, catalase e ascorbato-peroxidase (atividade antioxidante global) em raízes infectadas.

Este é um exemplo extremamente interessante que demonstra a potencial utilidade da avaliação das atividades enzimáticas pró-oxidantes e antioxidantes na prática fitopatológica, uma aplicação da redoxômica à biologia vegetal.

Trivialmente, mas não muito, saber que a resposta ao patógeno está associada a um aumento nos níveis de glutationa-redutase, que reduz a glutationa oxidada (GSSG) ao reciclá-la em sua forma biologicamente ativa (2GSH), fornece a justificativa para uma possível intervenção protetiva focada no aumento dos níveis de glutationa intracelular.

Essa abordagem é comum na medicina humana e veterinária, mas ainda está longe da fitopatologia.

Portanto, um dos grandes desafios da pesquisa será o desenvolvimento de análises laboratoriais capazes de avaliar de forma integrada o estado redox, tanto da planta, entendida como holobionte (unidade ecológica discreta entre a planta e os microrganismos com os quais vive em simbiose ), e do solo, onde estão suas raízes.

À semelhança do que acontece na área humana e veterinária, a medição de parâmetros objetivos permitirá identificar, prevenir e tratar precocemente situações de estresse, de forma personalizada, por meio de uma utilização direcionada dos recursos atualmente disponíveis, em conformidade com a sustentabilidade (ex., fertilizantes, inoculações microbianas, controle biológico integrado, etc.).

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