Πώς αλληλεπιδρούν τα ενεργά είδη αζώτου και οξυγόνου που σηματοδοτούν σε φυτά υπό πίεση μετάλλων;

Το μόριο του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ· εναλλακτικά ονομάζεται οξείδιο του αζώτου ή μονοξείδιο του αζώτου) είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό ότι αποτελεί μέρος του κύκλου του αζώτου. Το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής του 1998 απονεμήθηκε για την ανακάλυψη του ρόλου του ΝΟ ως μόριο καρδιαγγειακής σηματοδότησης από τότε που ανακηρύχθηκε Μόριο της Χρονιάς από το περιοδικό Science το 1992.

Τα τελευταία 30 χρόνια, αυτό το μόριο έχει γίνει το κέντρο διερεύνησης πολλών φυσιολογικών και παθολογικών διεργασιών τόσο στα ζώα όσο και στα φυτά. Ο πρωταρχικός λόγος μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι, υπό κανονικές φυσιολογικές ή δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες, το ΝΟ έχει πλειοτροπικές λειτουργίες σε διαφορετικά επίπεδα όπως κύτταρα, ιστοί και όργανα. Με τα χρόνια, η προσοχή στο ΝΟ επικεντρώθηκε μόνο στη συμβολή του στην ατμοσφαιρική ρύπανση επειδή μαζί με το διοξείδιο του αζώτου αποτελούν την ομάδα των οξειδίων του αζώτου που επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα και την ανάπτυξη των φυτών.

Ωστόσο, το 1987, δύο ανεξάρτητες ομάδες επιβεβαίωσαν ότι το ΝΟ, που ορίζεται ως χαλαρωτικός παράγοντας που προέρχεται από το ενδοθήλιο, εμπλέκεται στη ρύθμιση της αγγειακής αγγειοδιαστολής. Αξίζει να αναφερθεί ότι οι Fewson και Nicholas δημοσίευσαν την πρώτη τους έκθεση το 1960 δείχνοντας ότι οι μικροοργανισμοί και τα ανώτερα φυτά μπορούν να χρησιμοποιήσουν το ΝΟ ως ενδιάμεσο στο μεταβολισμό του αζώτου (Fewson and Nicholas, 1960). Μέχρι τη δεκαετία του 1990, έχουν αναπτυχθεί μελέτες σχετικά με τη λειτουργία του ΝΟ σε φυτικά κύτταρα, τα οποία εμπλέκονται στους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης με ωφέλιμους μικροοργανισμούς, στην άμυνα έναντι των παθογόνων μικροοργανισμών και στο δυσμενές περιβαλλοντικό στρες.

Από την άλλη πλευρά, με την ταχεία αστικοποίηση και εκβιομηχάνιση, η ρύπανση από βαρέα μέταλλα σε όλο τον κόσμο έχει αυξηθεί απροσδόκητα και έχει επιδεινώσει τους πιθανούς κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία, με αποτέλεσμα ιδίως τη διατάραξη των νεφρικών και ανοσοποιητικών λειτουργιών και ακόμη και την πρόκληση καρκίνου. Η τελευταία έρευνα έδειξε ότι τα εδάφη μολυσμένα με κάδμιο (Cd) αντιπροσώπευαν πάνω από το 7% της γης σύμφωνα με το Εθνικό Πρότυπο Εδάφους-Περιβαλλοντικής Ποιότητας της Κίνας (NSEQSC GB 15618-1995), καθιστώντας το ένα από τα πιο σοβαρά προβλήματα στην Κίνα. Το κάδμιο, ως μη απαραίτητο στοιχείο για την ανάπτυξη των φυτών, μπορεί να διαταράξει την κυτταρική οξειδοαναγωγική ομοιόσταση για να σπάσει τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου (ROS, π.χ. ρίζα υπεροξειδίου, υπεροξείδιο του υδρογόνου, μονό οξυγόνο κ. , με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του οξειδωτικού στρες στα φυτά, με αποτέλεσμα τη δημιουργία οξειδωτικού στρες. Μέχρι σήμερα, έχουν καταγραφεί ελάχιστες πληροφορίες σχετικά με τη σχέση μεταξύ μορίων που προέρχονται από ΝΟ και ΝΟ όπως η S-nitrosoglutathione, η S-nitrosoglutathione reductase και η πρωτεϊνική τυροσίνη νιτρώδους υπεροξυνιτρώδους (σχεδιασμένος ως δραστικό είδος αζώτου ή RNS) και ROS σε αλληλεπιδράσεις φυτού-μετάλλου .

Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις προκλήσεις, ο κύριος στόχος της μελέτης μας ήταν να διεξαγάγουμε την πρώτη διερεύνηση του μεταβολικού μηχανισμού των RNS και ROS υπό στρες Cd χρησιμοποιώντας το λευκό τριφύλλι ως φυτό που μελετήθηκε και να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για τις πιθανές αλληλεπιδράσεις τους. Στη μελέτη μας, λοιπόν, διερευνήθηκαν τρεις υποθέσεις ως εξής:(i) Το Cd θα προκαλέσει νιτρωτικό στρες ρυθμίζοντας τα επίπεδα των μορίων που προέρχονται από ΝΟ σε φυτά λευκού τριφυλλιού που προκαλούνται από Cd. (ii) Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις που προκαλούνται από ΝΟ θα θέσουν σε κίνδυνο τη λειτουργία του κύκλου ασκορβικού-γλουταθειόνης (ή ονομάζεται οδός Foyer-Halliwell-Asada) και τον μεταβολισμό των ελεύθερων αμινοξέων όταν το Cd οδηγεί σε οξειδωτικό στρες. (iii) Και οι δύο οικογένειες ROS και RNS χαρακτηρίζονται από την αυστηρή μεταβολική αλληλεπίδραση που θα ρυθμίσει την απόκριση του νιτροοξειδωτικού στρες σε φυτά που προκαλούνται από Cd.

Σύμφωνα με την έρευνά μας, διαπιστώσαμε ότι οι αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μονοπατιών σηματοδότησης RNS και ROS υπάρχουν σε φυτά με τάση Cd. Από τη μία πλευρά, το Cd προκαλεί υπεροξείδωση λιπιδίων και συσσώρευση ROS, προκαλώντας έτσι οξειδωτικό στρες. Γενικά, το Cd προκαλεί έκρηξη ROS μέσω τριών πιθανών οδών:(1) προκαλεί έκφραση microRNA που ανταποκρίνεται στο Cd και στη συνέχεια αναστέλλει τη λειτουργία της δισμουτάσης της υπεροξειδάσης του χαλκού και του ψευδαργύρου. (2) εμποδίζει τον ρυθμιστικό ρόλο των ιόντων ασβεστίου. ή (3) ενισχύει τις οξειδάσες νικοτιναμιδικής αδενίνης δινουκλεοτιδικής φωσφορικής (NADPH). Για να ανταποκριθούν στην υπερπαραγωγή ROS, τα αντιοξειδωτικά συστήματα λειτουργούν για τη ρύθμιση του ROS, όπως τα αντιοξειδωτικά ένζυμα, οι αφυδρογονάσες που δημιουργούν NADPH και τα ελεύθερα αμινοξέα.

Από την άλλη πλευρά, το υπεροξυνιτρώδες άλας παράγεται από την αντίδραση ως ΝΟ και ρίζα υπεροξειδίου, η οποία επαληθεύεται ότι μεσολαβεί στη νίτρωση της πρωτεΐνης τυροσίνης. Αυτό το RNS θεωρείται αποτελεσματικό οξειδωτικό που αντιδρά με το διοξείδιο του άνθρακα και περαιτέρω διασπάται στους ισχυρούς παράγοντες νιτροποίησης ανθρακικό και διοξείδιο του αζώτου υπό φυσιολογικές συνθήκες. Από αυτή την άποψη, το RNS μπορεί να αλλάξει τις πρωτεΐνες-στόχους μέσω μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων με S -νιτροζυλίωση και νίτρωση τυροσίνης. Ταυτόχρονα, το ΝΟ μπορεί να αντιδράσει με ανηγμένη γλουταθειόνη για να παράγει S-νιτροσογλουταθειόνη, η οποία, μέσω μιας διαδικασίας trans-νιτροζυλίωσης, επηρεάζει άλλα υπεροξισωματικά ένζυμα. Τα αποτελέσματα παρείχαν μια ολοκληρωμένη απόδειξη μεταβολίτη που επιβεβαιώνει ξεκάθαρα τις σχέσεις μεταξύ ROS και RNS σε φυτά υπό πίεση Cd, υποστηρίζοντας τους ρυθμιστικούς τους ρόλους ως απάντηση στο νιτροοξειδωτικό στρες και παρέχοντας μια εις βάθος κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο οικογενειών που υπόκεινται σε μεταλλικές καταπονήσεις .

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Σηματοδότηση διασταυρούμενης συζήτησης μεταξύ μονοξειδίου του αζώτου και ενεργού οξυγόνου στο Trifolium repens Αποκρίσεις των φυτών L. στο στρες του καδμίου, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Environmental Pollution . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Shiliang Liu, Rongjie Yang, Xi Li, Mingyan Jiang, Bingyang Lv, Mingdong Ma, Qibing Chen από το Γεωργικό Πανεπιστήμιο Sichuan και Durgesh Kumar Tripathi από το Εθνικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Motilal Nehru, Allahabad.

Φωτογραφία εξωφύλλου:Ένα κινεζικό παραδοσιακό διάγραμμα Γιν και Γιανγκ που δείχνει την αλληλεπίδραση μεταξύ RNS και ROS. Στην κινεζική φιλοσοφία, ο Γιν και ο Γιανγκ περιγράφουν πώς οι φαινομενικά αντίθετες ή αντίθετες δυνάμεις μπορεί στην πραγματικότητα να είναι συμπληρωματικές, αλληλένδετες και αλληλεξαρτώμενες στον φυσικό κόσμο και πώς μπορεί να δημιουργούν η μία την άλλη καθώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.