Immobilization of Aluminum with Phosphorus in Roots Is Associated with High Aluminum Resistance in Buckwheat

Abstract

Oxalic acid secretion from roots is considered to be an important mechanism for aluminum (Al) resistance in buckwheat (Fygopyrum esculentum Moench). Nonetheless, only a single Al-resistant buckwheat cultivar was used to investigate the significance of oxalic acid in detoxifying Al. In this study, we investigated two buckwheat cultivars, Jiangxi (Al resistant) and Shanxi (Al sensitive), which showed significant variation in their resistance to Al stress. In the presence of 0 to 100 mM Al, the inhibition of root elongation was greater in Shanxi than that in Jiangxi, and the Al content of root apices (0-10 mm) was much lower in Jiangxi. However, the dependence of oxalic acid secretion on external Al concentration and the time course for secretion were similar in both cultivars. Furthermore, the variation in Al-induced oxalic acid efflux along the root was similar, showing a 10-fold greater efflux from the apical 0-to 5-mm region than from the 5-to 10-mm region. These results suggest that both Shanxi and Jiangxi possess an equal capacity for Al-dependent oxalic acid secretion. Another two potential Al resistance mechanisms, i.e. Al-induced alkalinization of rhizosphere pH and root inorganic phosphate release, were also not involved in their differential Al resistance. However, after longer treatments in Al (10 d), the concentrations of phosphorus and Al in the roots of the Al-resistant cultivar Jiangxi were significantly higher than those in Shanxi. Furthermore, more Al was localized in the cell walls of the resistant cultivar. All these results suggest that while Al-dependent oxalic acid secretion might contribute to the overall high resistance to Al stress of buckwheat, this response cannot explain the variation in tolerance between these two cultivars. We present evidence suggesting the greater Al resistance in buckwheat is further related to the immobilization and detoxification of Al by phosphorus in the root tissues.Ionic aluminum (Al) is highly toxic to plant growth and appears to interfere with a number of physiological and biochemical processes (Rengel, 1992;Kochian, 1995). However, species vary widely in their ability to resist the harmful effect of Al, and significant differences in Al resistance have even been reported between genotypes of the same species (Yang et al., 2005). Over the past few decades, concerted efforts have been made to understand the genetic and physiological basis of Al resistance in many different species. As proposed by Taylor (1991), Al resistance mechanisms can be grouped into two categories. One is based on excluding Al from the root cells, and the other relies on improving the resistance of plants to the Al ions once they enter the cytosol. Among the likely exclusion mechanisms, a role for organic acid efflux has been well documented in several species (Ma, 2000;Ryan et al., 2001;Kochian et al., 2004). Other potential exclusion mechanisms include increases in rhizospheric pH (Degenhardt et al., 1998), phosphate efflux (Pellet et al., 1996), the secretion of proteins to bind Al ...

Efeito do alumínio sobre a absorção, o acúmulo e o fracionamento do fósforo em sorgo

“…A presença de Al no meio de absorção, ao contrário do que indicam as análises de P total nas raízes, reduz a concentração de P solúvel no apoplasto próximo à membrana plasmática (ZHENG et al, 2005). Corroborando esse resultado, estima-se que a concentração de P na forma de H 2 PO 4 -livre na solução de absorção utilizada no presente experimento era de apenas 8% do P total.…”

“…Isto poderia significar um prejuízo para esta cultivar que ficaria privada de parte do P para seu metabolismo foliar. Os teores de P na parte aérea (Tabela 2), contudo, não foram modificados em nenhuma das cultivares, corroborando a hipótese de que o P poderia estar imobilizando o Al nas raízes reduzindo sua translocação para a parte aérea (ZHENG et al, 2005). No presente experimento, contudo, esta vantagem parece não ter traduzido em redução diferencial no teor de Al na parte aérea, uma vez que as cultivares não diferiram entre si.…”

“…Na parede celular, a interação entre Al e P resulta na formação de complexos e, principalmente, de compostos pouco solúveis como o Al 4 (PO 4 ) 3 , reduzindo a absorção do Al (ZHENG et al, 2005). O aumento na concentração de P na solução nutritiva resultou em aumento nos teores de P e de Al nas raízes e redução diferencial do efeito do Al sobre o crescimento de duas cultivares de milho (GAUME et al, 2001).…”

“…O aumento na concentração de P na solução nutritiva resultou em aumento nos teores de P e de Al nas raízes e redução diferencial do efeito do Al sobre o crescimento de duas cultivares de milho (GAUME et al, 2001). Resultados como estes têm levado alguns autores a postularem um possível papel do fósforo no mecanismo de tolerância ao Al em trigo-mouro (ZHENG et al, 2005) e milho (GAUME et al, 2001). Essa imobilização, contudo, parece ser apenas parcial porque o Al não apenas entra no citoplasma, mas pode chegar até ao núcleo onde reage com DNA, impedindo sua replicação (MORIMURA e MATSUMOTO, 1978).…”

“…No pH fisiológico, entre 7,0 e 7,6, a possibilidade de reação do Al com fosfato e compostos fosforilados aumenta enormemente, mesmo se as concentrações de ambos forem relativamente baixas. O efeito do Al sobre as diferentes formas do P pode ser importante para o entendimento dos mecanismos de tolerância da planta ao Al (DONG et al, 2004;ZHENG et al, 2005). RORISON (1965), estudando o efeito do Al sobre a incorporação de 32 P em Onobrychis sativa Lam., demonstrou que este cátion aumentava os teores de Pi, mas reduzia os teores de nucleotídeos e de hexoses-P e a porcentagem de esterificação.…”