Arsenic (As) is a metalloid highly toxic and widely distributed in the ground. For that reason, nowadays there are several technologies to clean As-polluted soils. One of these is phytoremediation, which use tolerant plant and its associated microorganisms (MOs), which can modify the ability of plant to bioaccumulate toxic elements in their tissue. For that, growth of a plant tolerant to As, Acacia farnesiana, was tested in presence of different MOs, under As stress conditions. From results of biomass and bioaccumulation of As in stem and roots, an endophytic bacteria identified as Methylobacterium oryzae was selected to perform phytoremediation assays. One way to understand intracellular mechanisms involved in As-plant tolerance as well as the effect of plant-MO symbiosis is through the quantification of the enzymatic activity and presence of molecules involved in such a mechanisms and the analysis of proteomic profile. Thus, the aim of this work was to evaluate the influence of the endophytic M. oryzae in the As-tolerance of A farnesiana through the analysis of the As bioaccumulated, physiological changes as well as differential protein regulation. For that, A. farnesiana and A. farnesiana- M. oryzae plants were grown in vitro, with 0 and 580 µM As for 15 days. The presence of bacteria did not modify the vegetal growth despite the increase of As bioaccumulation in shoots and roots and the increase of chlorophyll. Symbiosis also increased glutathione (GSH) content, as well as GSH/GSSG rate, decreasing the oxidation degree (OD), in both shoots and roots. On the other hand, symbiosis decreased the H2O2 level induced by As in roots, as well as GST and POX activity in both tissues of As-stressed plants, indicating a general improvement in the redox cellular state. The obtained results suggest a protective effect of symbiosis against the As toxicity, which favor the vegetal tolerance.
The changes induced by symbiosis could be regulated by modifications in the intracellular proteome. The proteomic analysis demonstrated that M. oryzae alleviated the Asinduced metabolic disorder, mainly in shoot where bacteria positively regulated proteins related to carbohydrate metabolism, aminoacid metabolism, GSH biosynthesis and protein folding, whereas in roots, M. oryzae increased the diversity of protein isoforms expressed and maintained the abundance of proteins related to metabolism of aminoacids in response to the high As bioaccumulated. Keywords: Acacia farnesiana, Methylobacterium oryzae, symbiosis, phytoremediation, arsenic, GST, oxidant stress, proteome
El arsénico (As) es un metaloide altamente tóxico y ampliamente distribuido en la corteza terrestre. Por lo anterior, actualmente existen diversas tecnologías para limpiar suelos contaminados con este metaloide, una de ellas es la fitorremediación, que utiliza plantas tolerantes y sus microorganismos (MOs) asociados, los cuales pueden modificar la capacidad de las plantas para bioacumular elementos tóxicos en sus tejidos. Por ello, se evaluó el crecimiento de Acacia farnesiana, una planta tolerante al As, en presencia de diferentes MOs, bajo estrés por As. A partir de resultados de biomasa y biacumulación de As en tallos y raíz, se seleccionó la bacteria endófita identificada molecularmente como Methylobacterium oryzae, para inducir la simbiosis A. farnesiana-M. oryzae y realizar ensayos de fitorremediación. Una manera de entender los mecanismos intracelulares que confieren tolerancia a las plantas al As, así como el efecto de la simbiosis planta-MO es a través de la cuantificación de la actividad de enzimas y la presencia de moléculas involucradas en dichos mecanismos, y a través del análisis del perfil proteómico. Con base en lo anterior, el objetivo del presente estudio fue determinar la influencia de la bacteria endófita M. oryzae en la tolerancia de A. farnesiana al As a través del análisis de bioacumulación de As, de cambios fisiológicos en la planta y de la expresión diferencial de proteínas. Para ello, se cultivaron plantas de A. farnesiana y de A. farnesiana en asociación con M. oryzae en condiciones in vitro, con y sin 580 µM As durante 15 días. Al cabo de dicho tiempo, la presencia de la bacteria no modificó el crecimiento vegetal, a pesar del incremento detectado en la bioacumulación de As en tallos y raíces, así como del contenido de clorofila. La simbiosis también incrementó el contenido de glutatión (GSH) y la relación GSH/GSSG, lo que sugiere una disminución en el grado de oxidación (GO), en ambos tejido
Por otro lado, la simbiosis disminuyó el nivel de H2O2 inducido por el As en raíces, y la actividad GST y POX en tallos y raíces de plantas expuestas a As, indicando en general una mejora en el estado redox celular. Los resultados obtenidos sugieren un efecto protector de la simbiosis contra la toxicidad del As bioacumulado, favoreciendo la tolerancia vegetal. Los cambios mencionados por efecto de la simbiosis podrían ser regulados por un cambio en el proteoma intracelular. Los análisis proteómicos demostraron que la presencia de M. oryzae alivió el desorden metabólico inducido por la toxicidad por As, principalmente en tallo, donde la bacteria reguló positivamente las proteínas relacionadas con el metabolismo de carbohidratos, metabolismo de aminoácidos, biosíntesis de GSH y plegamiento de proteínas, mientras que en raíces, M. oryzae estimuló la diversidad de isoformas de proteínas expresadas y mantuvo la abundancia de proteínas relacionadas al metabolismo de aminoácidos, en respuesta a la alta bioacumulación de As. Palabras clave: Acacia farnesiana, Methylobacterium oryzae, simbiosis, fitorremediación, arsénico, GST, estrés oxidante, proteoma
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