MAPKinases in cadmium or copper-mediated oxidative stress in Arabidopsis thaliana

Abstract

Over the past decades, toxic concentrations of metals accumulated in soils by human activities, such as mining and industrial processes. In plants, metals interfere with essential physiological processes, like photosynthesis, transpiration and respiration, resulting in growth retardation and chlorosis. At the cellular level, metal exposure leads to an increased production of reactive oxygen species (ROS), thereby disturbing the cellular redox status and causing oxidative damage to cellular components. However, ROS can also act as signalling molecules in normal cell metabolism as well as in defence responses against biotic and abiotic stresses. In this way, ROS can interact with different signalling pathways in the cell, one of them being mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades. MAPK signalling pathways relay stress signals from the cell membrane to the nucleus by phosphorylation and activation of transcription factors, resulting in transcriptional control of stress-responsive genes. Although MAPK cascades are associated with copper (Cu) and cadmium (Cd) stress signalling, knowledge about their specific functioning in metal stress responses is rather scarce. To understand plant responses to toxic concentrations of metals, it is necessary to gain insight in the specific stress signalling pathways operating at the molecular level thereby regulating cellular responses to these metals. Therefore, the main objective of this work was to unravel MAPK cascades controlling metal stress responses. For the metal treatment, two metals (Cu and Cd) with distinct characteristics (essential versus non-essential, redox-active versus non-redoxactive) were used. In conclusion, the results obtained in this work are indicative of an essential role for MAPK cascades in metal-induced oxidative stress responses. Depending on the chemical properties of the applied metal, the same MAPK cascade is able to regulate different metal-specific transcription factors resulting in metal-specific stress responses. Knowledge about the molecular mechanisms controlling metal stress responses is essential to understand how plants cope with elevated metal concentrations at the physiological level.

De afgelopen decennia hebben er in de bodem toxische concentraties aan metalen geaccumuleerd als gevolg van humane activiteiten, zoals mijnbouw en industrie. In planten interfereren metalen met essentiële fysiologische processen, zoals fotosynthese, transpiratie en respiratie, met dwerggroei en chlorose tot gevolg en aldus een verminderde biomassaproductie. Op cellulair niveau induceert blootstelling aan metalen een verhoogde productie van reactieve zuurstofvormen (ROS), waardoor de cellulaire redox status verstoord wordt en oxidatieve schade aan cellulaire componenten kan ontstaan. Daarnaast hebben ROS ook een belangrijke functie als signaalmolecule zowel in het normale celmetabolisme alsook in verdedigingsresponsen tegen biotische en abiotische stressors. Op deze manier kunnen ROS interageren met verschillende signaaltransductie pathways in de cel, waaronder de ‗mitogen-activated protein kinase‘ (MAPK) cascades. MAPK pathways geleiden stress signalen van het celmembraan naar de nucleus door fosforylatie en activatie van transcriptiefactoren, die de transcriptie van stressresponsieve genen controleren. Alhoewel MAPK-cascades worden geassocieerd met koper (Cu) en cadmium (Cd) geïnduceerde signaaltransductie, is er maar weinig geweten over hun specifieke functie in metaalgeïnduceerde responsen. Om te kunnen begrijpen hoe planten reageren op toxische metaalconcentraties in hun omgeving, is het noodzakelijk om meer inzicht te krijgen in de specifieke stress signaaltransductie pathways op moleculair niveau die aan de basis liggen van de fysiologische responsen op deze metalen. Daarom was het belangrijkste doel van dit werk om de MAPK-cascades, die de metaalstress responsen controleren, te ontrafelen. Hiervoor werden twee metalen (Cu en Cd) met verschillende eigenschappen (essentieel versus niet-essentieel, redox-actief versus niet redox-actief) gebruikt. Alles tesamen tonen de resultaten, bekomen in dit werk, aan dat MAPK-cascades een essentiële rol spelen in metaalgeïnduceerde oxidatieve stress responsen. Afhankelijk van de chemische eigenschappen van het toegediende metaal, is een bepaalde MAPK-cascade in staat verschillende metaalspecifieke transcriptiefactoren te reguleren, resulterend in metaalspecifieke stress responsen. Kennis over de moleculaire mechanismen, die metaalstress responsen controleren, is essentieel om te begrijpen hoe planten op fysiologisch niveau omgaan met verhoogde metaalconcentraties.