Effects of O-acetylserine(thiol) lyase inhibitors on weed plants

Abstract

RESUMO: Os herbicidas têm sido utilizados desde a década de 1940 para controlar plantas daninhas, mas o aumento da resistência das plantas aos herbicidas convencionais tem se tornado um grande desafio. A resistência foi observada em várias espécies de plantas daninhas, que já não respondem mais aos métodos tradicionais de controle. Estratégias alternativas, como rotação de culturas, agricultura de precisão e o uso de bioherbicidas, têm sido aplicadas, mas a necessidade de desenvolver novos herbicidas com modos de ação inéditos continua sendo crucial. O enxofre, um macronutriente essencial para o crescimento das plantas, é fundamental na síntese de aminoácidos e coenzimas, além de desempenhar papéis importantes na formação de clorofila e no combate ao estresse ambiental. Sua deficiência pode levar a sérios problemas de desenvolvimento, como clorose e redução no tamanho das folhas. A via de assimilação de enxofre, que converte sulfato em L-cisteína, envolve enzimas específicas, como a O-acetilserina(thiol) liase (OAS-TL), que têm sido identificadas como alvos promissores para o desenvolvimento de novos herbicidas. Essas enzimas são exclusivas das plantas, permitindo a criação de herbicidas seletivos que não afetam animais. Recentemente, nosso grupo de pesquisa identificou possíveis inibidores da OAS-TL, que demonstraram potencial para inibir o crescimento de plantas daninhas. O objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos de dois desses possíveis inibidores, o Ácido 2-amino-3- fenilsulfonilsulfanil-propanóico (AFP) e a O-benzil-L-serina (OBS), no crescimento e metabolismo de espécies de plantas daninhas. MATERIAIS E MÉTODOS: Para o primeiro estudo, plantas de Ipomoea grandifolia foram cultivadas em sistema hidropônico por 12 dias na presença ou ausência de AFP. Foram analisados parâmetros biométricos, além de avaliar os efeitos do tratamento com AFP em combinação com L-cisteína, com o objetivo de verificar a reversão dos danos causados pelo AFP. Selecionaram-se duas concentrações de AFP: 500 ?M e uma combinação de 500 ?M de AFP com 2 mM de L-cisteína para experimentos subsequentes. Foram avaliados o metabolismo antioxidante, a atividade de enzimas da via de assimilação de enxofre, o perfil de aminoácidos livres e o conteúdo de nutrientes nas raízes e folhas. A fotossíntese, incluindo trocas gasosas, fluorescência da clorofila a, curva de resposta ao CO? e curva de Kautsky, foram avaliadas somente nas plantas tratadas com AFP. Para o segundo estudo, plantas de Ipomoea grandifolia e Euphorbia heterophylla foram cultivadas em sistema hidropônico por 12 dias, com diferentes concentrações de OBS. Foram avaliados parâmetros de crescimento, atividades de enzimas da via de assimilação de enxofre, fotossíntese e conteúdo de nutrientes nas raízes e folhas de plantas tratadas com OBS. Além disso, para ambos os estudos, simulações de dinâmica molecular foram realizadas para estudar a interação de AFP e OBS com a enzima OAS-TL. RESULTADOS E DISCUSSÃO: A aplicação de AFP reduziu significativamente o crescimento das plantas, com efeitos dose-dependentes, tanto nas raízes quanto nas folhas. A suplementação com L-cisteína foi capaz de reverter em grande parte os danos causados pelo AFP. O tratamento com AFP, combinado com L-cisteína, alterou os níveis de alguns marcadores de estresse oxidativo e a atividade das enzimas antioxidantes. O AFP inibiu a atividade de OAS-TL nas folhas, mas aumentou a atividade de sulfito redutase (SiR) nas raízes, especialmente quando combinado com L-cisteína, sugerindo que a L-cisteína pode mitigar alguns efeitos do AFP na via de assimilação de enxofre. O AFP também alterou os níveis de alguns aminoácidos nas raízes e folhas, como a redução de aspartato e o aumento de fenilalanina. A suplementação com L- cisteína aumentou os níveis de vários aminoácidos nas raízes, incluindo asparagina, serina e glicina. O tratamento com AFP reduziu a taxa de assimilação de CO? (A), a condutância estomática (gs) e a transpiração (E), indicando uma redução na eficiência fotossintética devido à inibição da via de assimilação de enxofre. Além disso, o AFP reduziu os parâmetros de fotossíntese, como a máxima taxa de carboxilação (Vcmax) e a taxa de transporte de elétrons (J), evidenciando um impacto negativo na eficiência fotossintética e na assimilação de carbono. A exposição ao AFP também alterou significativamente os parâmetros de fluorescência da clorofila a, com reduções nos parâmetros de eficiência fotossintética e aumento do estresse fotossintético. O AFP reduziu drasticamente o conteúdo de clorofila a e b, afetando a absorção de luz pelas folhas e, consequentemente, a fotossíntese. Além disso, o AFP alterou o conteúdo de diversos íons nas raízes e folhas, aumentando os níveis de ferro, zinco e enxofre, enquanto reduziu cálcio e magnésio, o que pode explicar os sintomas de clorose observados. O tratamento com OBS afetou significativamente o crescimento de I. grandifolia e E. heterophylla, de forma dose-dependente, com efeitos tanto nas raízes quanto nas folhas. Ambas as espécies apresentaram alterações como clorose e enrolamento das folhas, possivelmente relacionadas à deficiência de nutrientes como cálcio e magnésio. O tratamento com OBS também causou alterações morfológicas, como a perda de dominância apical, observada em ambas as espécies, sugerindo um desequilíbrio hormonal entre auxina e citocinina. A atividade de OAS-TL foi afetada de maneira diferente nas duas plantas: em I. grandifolia, a atividade enzimática nas raízes diminuiu significativamente, mas não nas folhas; enquanto em E. heterophylla, houve um aumento notável na atividade de OAS-TL nas folhas, mas sem efeito nas raízes. As curvas de resposta à luz mostraram que o tratamento com OBS não afetou de forma significativa o aparato fotossintético de nenhuma das espécies avaliadas, ao menos na concentração testada. I. grandifolia mostrou maior sensibilidade ao OBS, sugerindo que essa espécie é mais vulnerável a distúrbios no metabolismo de enxofre. CONCLUSÃO: Ambas as moléculas testadas, AFP e OBS, são promissoras para o desenvolvimento de novos herbicidas com um sítio de ação no metabolismo de assimilação de enxofre

ABSTRACT: Herbicides have been used since the 1940s to control weeds, but the increasing resistance of plants to conventional herbicides has become a major challenge. Resistance has been observed in various weed species that no longer respond to traditional control methods. Alternative strategies, such as crop rotation, precision agriculture, and the use of bioherbicides, have been applied, but the need to develop new herbicides with novel modes of action remains crucial. Sulfur, an essential macronutrient for plant growth, is vital in the synthesis of amino acids and coenzymes, as well as playing important roles in chlorophyll formation and environmental stress mitigation. Its deficiency can lead to severe developmental problems, such as chlorosis and reduced leaf size. The sulfur assimilation pathway, which converts sulfate to L- cysteine, involves specific enzymes, such as O-acetylserine(thiol) lyase (OAS-TL), which have been identified as promising targets for the development of new herbicides. These enzymes are exclusive to plants, allowing for the creation of selective herbicides that do not affect animal organisms. Recently, our research group identified potential inhibitors of OAS-TL, which showed potential to inhibit weed growth. The objective of this study was to evaluate the effects of two of these potential inhibitors, 2-amino-3-phenylsulfonylsulfanil-propanoic acid (AFP) and o- benzyl-L-serine (OBS), on the growth and metabolism of weed species. MATERIALS AND METHODS: In the first study, Ipomoea grandifolia plants were cultivated in a hydroponic system for 12 days in the presence or absence of AFP. Biometrics parameters were analyzed, and the effects of AFP treatment combined with L-cysteine were evaluated to assess the reversal of AFP-induced damage. Two concentrations of AFP were selected: 500 ?M and a combination of 500 ?M AFP with 2 mM L-cysteine for subsequent experiments. Antioxidant metabolism, sulfur assimilation enzyme activity, free amino acid profiles, and nutrient content in roots and leaves were evaluated. Photosynthesis, including gas exchange, chlorophyll a fluorescence, CO? response curve, and Kautsky curve, were assessed only in plants treated with AFP. For the second study, Ipomoea grandifolia and Euphorbia heterophylla plants were cultivated in a hydroponic system for 12 days with different concentrations of OBS. Growth parameters, sulfur assimilation enzyme activities, photosynthesis, and nutrient content in roots and 13 leaves of plants treated with OBS were evaluated. Additionally, for both studies, molecular dynamics simulations were conducted to study the interaction of AFP and OBS with the OAS-TL enzyme. RESULTS AND DISCUSSION: The application of AFP significantly reduced plant growth in a dose-dependent manner, affecting both roots and leaves. Supplementation with L-cysteine was able to largely reverse the damage caused by AFP. AFP treatment combined with L-cysteine altered the levels of some oxidative stress markers and antioxidant enzyme activity. AFP inhibited OAS-TL activity in the leaves but increased sulfite reductase (SiR) activity in the roots, especially when combined with L-cysteine, suggesting that L-cysteine may mitigate some of AFP's effects on the sulfur assimilation pathway. AFP also altered the levels of certain amino acids in the roots and leaves, such as reduced aspartate and increased phenylalanine. Supplementation with L-cysteine increased the levels of several amino acids in the roots, including asparagine, serine, and glycine. AFP treatment reduced CO? assimilation rate (A), stomatal conductance (gs), and transpiration (E), indicating a decrease in photosynthetic efficiency due to the inhibition of the sulfur assimilation pathway. Furthermore, AFP reduced photosynthetic parameters, such as maximum carboxylation rate (Vcmax) and electron transport rate (J), highlighting a negative impact on photosynthetic efficiency and carbon assimilation. Exposure to AFP also significantly altered chlorophyll a fluorescence parameters, with reductions in photosynthetic efficiency and increased photosynthetic stress. AFP drastically reduced chlorophyll a and b content, affecting light absorption by the leaves and, consequently, photosynthesis. Additionally, AFP altered the levels of various ions in the roots and leaves, increasing iron, zinc, and sulfur levels, while reducing calcium and magnesium, which may explain the chlorosis symptoms observed. Treatment with OBS significantly affected the growth of I. grandifolia and E. heterophylla, in a dose- dependent manner, with effects observed in both roots and leaves. Both species showed alterations such as chlorosis and leaf curling, possibly related to the deficiency of nutrients like calcium and magnesium. OBS treatment also caused morphological changes, such as loss of apical dominance, observed in both species, suggesting a hormonal imbalance between auxin and cytokinin. OAS-TL activity was affected differently in the two plants: in I. grandifolia, enzyme activity in the roots decreased significantly, but not in the leaves; whereas in 14 E. heterophylla, there was a notable increase in OAS-TL activity in the leaves, with no effect in the roots. Light response curves showed that OBS treatment did not significantly affect the photosynthetic apparatus of either species evaluated, at least at the tested concentration. I. grandifolia showed greater sensitivity to OBS, suggesting that this species is more vulnerable to disturbances in sulfur metabolismo. CONCLUSION: Both AFP and OBS molecules tested are promising for the development of new herbicides with a target site in the sulfur assimilation metabolism