Respostas fotossintéticas de plantas C3 e C4 aos efeitos de potenciais herbicidas

Abstract

RESUMO: INTRODUÇÃO – O controle de plantas daninhas na agricultura é essencial para garantir que os cultivos alcancem seu potencial máximo; entretando, representa o maior custo em termos de produtos fitossanitários. Atualmente, esse controle é majoritariamente químico e, apesar de sua superioridade em relação a outros métodos, enfrenta desafios das espécies tolerantes. Esse cenário é agravado pela seleção de biótipos resistentes a certos princípios ativos e modos de ação. O aumento nos casos de resistência e o mercado multibilionário dos fitossanitários impulsionam a busca constante por novos alvos enzimáticos. Uma abordagem promissora é o uso da bioinformática, que permite a prospecção in silico de inibidores para enzimas cruciais no metabolismo das plantas. Para avaliar a eficácia desses inibidores in vivo, a análise de seus efeitos na fotossíntese é uma ferramenta valiosa, proporcionando uma avaliação direta do impacto no crescimento vegetal e no metabolismo de acúmulo de biomassa. Estudos recentes no BIOPLAN prospectaram inibidores para as enzimas piruvato O-fosfato diquinase (PPDK), envolvida no metabolismo C4, e O-acetilserina (tiol) liase (OAS-TL), do metabolismo do enxofre. O inibidor ácido 3-cianobenzoico, inicialmente direcionado para a enzima PPDK, teve sua inibição a enzima descartada, mas apresentou resultados promissores na inibição de raízes de plântulas de Zea mays. Dado o papel conhecido dos ácidos fenólicos como aleloquímicos, sua ação na fotossíntese de Z. mays foi investigada. Já o inibidor S-benzil-L-cisteína (SBC), prospectado para a enzima OAS-TL, demonstrou eficácia ao reduzir a formação de L-cisteína em Z. mays e Ipomoea grandifolia. As diferenças observadas nos efeitos entre estas espécies despertam interesse para investigar os impactos da molécula em diferentes metabolismos, C3 e C4. OBJETIVOS – O trabalho teve como objetivo, no Capítulo I, avaliar os efeitos do ácido 3-cianobenzoico sobre o crescimento, fotossíntese, trocas gasosas e fluorescência da clorofila a de Z. mays, cultivada hidropônicamente por 14 dias com diferentes concentrações do composto. No Capítulo II, o foco foi investigar os efeitos do SBC, um inibidor já estabelecido da enzima OAS-TL, na germinação, crescimento e fotossíntese de duas culturas agrícolas, Glycine max e Z. mays, e duas plantas daninhas, Euphorbia heterophylla e Digitaria insularis, avaliando a possível seletividade do inibidor entre plantas C3 e C4. MATERIAL E MÉTODOS – No Capítulo I, plantas de milho foram cultivadas hidropônicamente por 14 dias na presença do ácido 3-cianobenzoico, sendo avaliados parâmetros biométricos, como comprimentos e biomassas, e fotossintéticos, como índice SPAD de clorofila, fluorescência da clorofila a, trocas gasosas, curvas de luz, CO2 e transiente da clorofila a. No Capítulo II, foram realizadas análises de germinação e cultivo em substrato por 21 dias, nas quatro espécies expostas ao SBC, com avaliações biométricas e fotossintéticas, além da quantificação da atividade enzimática da OAS-TL e proteínas totais por Bradford, em folhas e raízes. RESULTADOS E DISCUSSÃO – O ácido 3-cianobenzoico comprometeu o crescimento das raízes e da parte aérea de Z. mays, com danos à fotossíntese observados em todos os parâmetros analisados, destacando-se a redução na assimilação líquida (A), na captação e transmissão de energia luminosa, e no fechamento estomático. Esses resultados indicam que o ácido 3-cianobenzoico possui potencial para desenvolvimento como herbicida, além dos danos radiculares previamente relatados. Já o SBC apresentou maior impacto na espécie D. insularis, cuja germinação foi inibida, enquanto o crescimento das outras plantas foi afetado de forma semelhante, com inibições superiores a 90% em plantas daninhas nas concentrações mais altas. A fotossíntese foi prejudicada em todas as espécies, mas com variações nas causas do dano, refletindo as diferenças entre os metabolismos C3 e C4 na interação entre do metabolismo do enxofre e da assimilação de carbono. As análises de atividade da OAS-TL e do perfil proteico em folhas e raízes corroboram a existência de estratégias distintas entre os tipos de plantas para lidar com a inibição da enzima. CONCLUSÃO – Tanto o ácido 3-cianobenzoico quanto o SBC foram eficazes em comprometer o crescimento e a fotossíntese das plantas avaliadas, evidenciando seu potencial para o desenvolvimento de herbicidas. O efeito diferencial do SBC entre plantas C3 e C4 indica a possibilidade de uso como herbicida seletivo e como ferramenta para investigar mecanismos da via de assimilação do enxofre em plantas C4, que ainda não são totalmente compreendidos

ABSTRACT: INTRODUCTION – Weed control in agriculture is essential to ensure crops reach their maximum potential, but it also represents the highest cost in terms of crop protection products. Currently, this control is predominantly chemical, and despite its superiority over other methods, it faces challenges with the tolerant species. This situation is exacerbated by the selection of biotypes that become resistant to certain active ingredients and modes of action. The increasing number of resistance cases and the multi-billion-dollar crop protection market drive the continuous search for new enzymatic targets. A promising approach is the use of bioinformatics, which enables in silico screening of inhibitors for enzymes that play a crucial role in plant metabolism. To assess the effectiveness of these inhibitors in vivo, analyzing their effects on photosynthesis is a valuable tool, providing a direct evaluation of the impact on plant growth and biomass accumulation metabolism. Recent studies at BIOPLAN have identified inhibitors for the enzymes pyruvate phosphate dikinase (PPDK), involved in C4 metabolism, and O- acetylserine (thiol) lyase (OAS-TL), related to sulfur metabolism. The inhibitor 3- cyanobenzoic acid, initially targeted for PPDK, did not inhibit the enzyme but showed promising results in the roots of Zea mays seedlings. Given the known role of phenolic acids as potent allelochemicals, its effect on the photosynthesis of Z. mays was investigated. Meanwhile, S-benzyl-L-cysteine (SBC), an inhibitor screened for OAS-TL, proved effective in reducing L-cysteine formation in Z. mays and Ipomoea grandifolia. The differences observed in the effects between these species raise interest in investigating the molecule's impact on different metabolisms, C3 and C4. OBJECTIVES – The aim of Chapter I was to evaluate the effects of 3-cyanobenzoic acid on the growth, photosynthesis, gas exchange, and chlorophyll a fluorescence of Z. mays, cultivated hydroponically for 14 days at different compound concentrations. Chapter II focused on investigating the effects of SBC, an established OAS-TL enzyme inhibitor, on the germination, growth, and photosynthesis of two crop species, Glycine max and Z. mays, and two weed species, Euphorbia heterophylla and Digitaria insularis, assessing the potential selectivity of the inhibitor between C3 and C4 plants. MATERIALS AND METHODS – In Chapter I, maize plants were grown hydroponically for 14 days in the presence of 3-cyanobenzoic acid, and biometric parameters, such as length and biomass, as well as photosynthetic parameters, such as chlorophyll content (SPAD index), chlorophyll a fluorescence, gas exchange, light curves, CO2 curves, and chlorophyll a transient, were analyzed. Chapter II involved germination tests and 21-day cultivation on a substrate for the four species exposed to SBC, with assessments of biometric and photosynthetic parameters, in addition to quantifying OAS-TL enzyme activity and total protein by Bradford assay in leaves and roots. RESULTS AND DISCUSSION – 3-cyanobenzoic acid impaired root and shoot growth in Z. mays, with damage to photosynthesis observed across all parameters, particularly in net assimilation (A), light energy capture and transfer, and stomatal closure. These results indicate that 3-cyanobenzoic acid has potential for development as a herbicide, beyond the root damage previously reported. SBC had a greater impact on D. insularis, whose germination was inhibited, while growth was similarly affected across the other species, with reductions exceeding 90% in weed species at the highest concentrations. Photosynthesis was impaired in all species but with different underlying causes, reflecting the distinct ways C3 and C4 plants manage sulfur metabolism and carbon assimilation. The analyses of OAS-TL activity and protein profiles in leaves and roots support the idea of different strategies among plant types to cope with enzyme inhibition. CONCLUSION – Both 3-cyanobenzoic acid and SBC effectively impaired the growth and photosynthesis of the tested plants, indicating their potential for herbicide development. The differential response caused by SBC among C3 and C4 plants suggests the possibility of using it as a selective herbicide and as a tool to investigate mechanisms in the sulfur assimilation pathway in C4 plants, which are still not fully understood