Oxidative signaling in Arabidopsis thaliana plants: The role of ascorbate and ascorbate peroxidases during cadmium or copper toxicity

Abstract

Over the past decades, large areas have been contaminated with cadmium (Cd) and copper (Cu) due to anthropogenic activities. These toxic metals are able to accumulate in plants where they interfere with essential physiological processes necessary for normal functioning. A common cellular consequence of toxic metal exposure is an increase of reactive oxygen species (ROS), thereby disturbing the cellular redox status and causing oxidative damage to cellular components. However, controlled levels of ROS can also act as signaling molecules in normal cell metabolism as well as in defense responses. Hydrogen peroxide (H2O2) is a well-known example involved in the control of such responses and its production is elevated in plants exposed to Cd or Cu. Therefore, H2O2 could be involved in metal-induced signal transduction events. Ascorbate peroxidases (APX) are important H2O2 scavengers and show a high affinity in the presence of ascorbate (AsA). Therefore APXs are involved in protecting the plant cell against harmful amounts of H2O2 as well as controlling H2O2 levels for signaling involved in defense responses. To understand plant responses to toxic concentrations of metals, it is necessary to gain knowledge about stress signaling caused by this stress factor at the cellular level. Because AsA and APX are involved in controlling H2O2 levels, they play a role in stress signaling pathways hence in many cellular processes. However, until today, a potential role for APX and AsA in biological processes dealing with metal-induced oxidative stress and downstream responses in plants has not been studied. Therefore, the main objective of this work was to unravel the role of APX and AsA in oxidative signaling and in the regulation of oxidative stress responses during Cu and Cd exposure.

In de afgelopen decennia werden grote gebieden verontreinigd met cadmium (Cd) en koper (Cu) als gevolg van humane activiteiten. Deze toxische metalen kunnen accumuleren in planten en interfereren met essentiële fysiologische processen die noodzakelijk zijn voor een normale plantontwikkeling. Een algemeen cellulair gevolg van blootstelling aan toxische metalen is een verhoging van reactieve zuurstofvormen (ROS), waardoor de cellulaire redox toestand wordt verstoord en oxidatieve schade aan cellulaire componenten optreedt. Daarnaast hebben gecontroleerde niveaus van ROS ook een belangrijke rol als signaalmolecule zowel in het controleren van het normale celmetabolisme alsook verdedigingsresponsen. Waterstofperoxide (H2O2) is een bekend voorbeeld betrokken bij de controle van deze responsen en de productie ervan wordt aanzienlijk verhoogd in planten blootgesteld aan Cd en Cu. Hierdoor is het mogelijk dat H2O2 betrokken is in metaal-geïnduceerde signalisatie netwerken. Ascorbaatperoxidasen (APX) zijn belangrijke scavengers van H2O2 en vertonen een hoge affiniteit voor H2O2 in aanwezigheid van ascorbaat (ASA). Hierdoor staan APXs in voor een bescherming van de plantencel tegen schadelijke hoeveelheden H2O2 alsook voor de regulatie van de hoeveelheid H2O2 voor signalisatie betrokken in verdedigingsresponsen. Om te kunnen begrijpen hoe planten reageren op toxische metaalconcentraties, is het noodzakelijk om meer inzicht te krijgen in de signaaltransductie pathways die deze stress-factor op cellulair niveau veroorzaakt. Omdat AsA en APX betrokken zijn in de regulatie van de hoeveelheid H2O2, spelen ze een rol in signaaltransductie pathways en dus in vele cellulaire processen. Een mogelijke rol voor APX en AsA in biologische processen die omgaan met metaalgeïnduceerde oxidatieve stress en downstream responsen in planten zijn echter tot op heden nog niet onderzocht. Daarom is de algemene doelstelling van deze doctoraatsstudie om de functie van APX en AsA te ontrafelen in oxidatieve signalisatie en in de regulatie van oxidatieve stress responsen tijdens Cu en Cd blootstelling.