Cultivo de Eucalyptus urograndis em atmosfera enriquecida com CO2: mudanças no proteoma cloroplastidial

Abstract

A emissão de dióxido de carbono (CO2) pelas atividades humanas vem aumentando desde a revolução industrial. Previsões indicam que ocorrerá um aumento expressivo da concentração atmosférica deste gás nos próximos anos. Este fato deve resultar em alterações metabólicas nas plantas e, por consequência, impactar o setor florestal brasileiro. Os cloroplastos são as organelas-chave na fixação do CO2 e início do particionamento do carbono nas plantas. Alterações na disponibilidade de CO2 podem afetar o metabolismo dessas organelas. O objetivo do presente trabalho foi avaliar se o cultivo de plantas jovens de Eucalyptus urograndis em ambiente enriquecido com CO2 resulta em alterações no proteoma cloroplastidial. Para tanto, primeiramente foram avaliados diferentes métodos de isolamento de cloroplastos quanto aos seguintes parâmetros: morfologia dos cloroplastos observada em microscopia de luz (1); rendimento protéico após isolamento plastidial (2); grau de contaminação por proteínas não cloropastidiais (3); e abundância em número de proteínas identificadas e já descritas como plastidiais (4). Após a definição da melhor metodologia para obtenção do proteoma cloroplastidial, mudas de Eucalyptus urograndis de aproximadamente três meses de idade foram cultivadas sob concentrações atmosféricas controladas de CO2 (400 e 1000 ppm) durante dez semanas. A avaliação do proteoma plastidial, por buscas restringentes contra um banco de dados de sequências protéicas de Eucalyptus grandis, resultou na identificação de 816 proteínas em E. urograndis, das quais 80% já haviam sido descritas como plastidiais. O mapeamento in silico de vias metabólicas resultou na identificação de todas as proteínas envolvidas no ciclo de Calvin-Benson, além da detecção de um aumento discreto, porém significativo na abundância de enzimas-chave: PGK, GAPDH, FBA, FBPase, SBPase e RPI. Embora a avaliação da eficiência quântica do fotossitema II tenha indicado ausência de alteração fotossintética, as plantas tratadas com 1000 ppm de CO2 apresentaram fechamento estomático em resposta à condição ambiental imposta, além da diminuição na área do tecido vascular foliar. Esta é a primeira caracterização do proteoma cloroplastidial do gênero Eucalyptus, cujos resultados indicam que a atmosfera enriquecida com CO2 causou respostas na espécie, incluindo um aumento na abundância de proteínas envolvidas na fixação de carbono. Os resultados apresentados aqui podem auxiliar na compreensão das respostas bioquímicas estimuladas por um aumento na concentração atmosférica de CO2 em plantas do tipo C3, além de contribuir para programas de melhoramento que visem obter plantas adaptadas às condições climáticas futuras.

Carbon dioxide (CO2) emissions from human activities have increased since the industrial revolution. Global projections indicate that there will be a significant increase in the atmospheric concentration of this gas in the coming years. This fact can result in metabolic changes in plants and, consequently, affect the Brazilian forest sector. Chloroplasts are key organelles in carbon fixation and early carbon partitioning in plants. Changes in the availability of CO2 may affect the metabolism of these organelles. The goal of the present study was to assess whether the cultivation of seedlings of Eucalyptus urograndis under a CO2 enriched environment could result in changes in the chloroplast proteome. For this purpose, different chloroplast isolation methods were evaluated to the following parameters: chloroplast morphology observed in bright-field microscopy (1); protein yield after plastid isolation (2); degree of contamination by non-plastidic proteins (3); and abundance in the number of identified proteins described as plastidic (4). After determining the best methodology for the isolation of the chloroplast proteome, E. urograndis seedlings about three months old were grown under CO2 controlled atmospheric concentrations (400 and 1000 ppm) for ten weeks. Evaluation of the plastid proteome, using stringent search against a protein sequence database from Eucalyptus grandis, resulted in the identification of 816 proteins in E. urograndis, from which 80% were already described as plastidic. In silico metabolic pathway mapping resulted in the identification of all proteins involved in the Calvin-Benson cycle and detection of a slight but significant increase in the abundance of key enzymes: PGK, GAPDH, FBA, FBPase, SBPase, and RPI. Although the assessment of the quantum efficiency of photosystem II suggested the absence of changes in the photosynthesis rate, plants treated with 1000 ppm of CO2 presented stomatal closure in response to the imposed environmental condition. A decreased area of the leaf vascular tissue was also detected in young leaves. This is the first characterization of chloroplast proteome of the genus Eucalyptus. Our results indicate that the CO2 enriched atmosphere stimulated metabolic responses, including an increase in the abundance of proteins involved in carbon fixation. Results showed here will assist on the understanding of the biochemical responses stimulated by an increase in the atmospheric CO2 concentration in C3-type plants, and contribute to breeding programs that aim to obtain plants adapted to future climate conditions.