Embargo
Alterations of oxidative status induced by amino acid synthesis-inhibiting herbicides in sensitive and target-site resistantpopulations of Amaranthus palmeri
(2023) Eceiza, Mikel Vicente; Royuela Hernando, Mercedes; Zabalza Aznárez, Ana; Ciencias; Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa, UPNA20-6138
Entre los métodos de control de malas hierbas, los herbicidas aparecen como métodos rápidos y efectivos, y conforman el método más utilizado para el control de malas hierbas. Dos de los grupos de herbicidas más importantes son los inhibidores de la 5-enolpiruvilsiquimato-3-fosfatosintasa (EPSPS) y la acetolactato sintasa (ALS). El único inhibidor de la EPSPS que se conoce es el glifosato, el herbicida más utilizado a nivel mundial; mientras, los inhibidores de la ALS incluyen numerosas sustancias activas. La EPSPS y la ALS son enzimas importantes que forman parte de la biosíntesis de aminoácidos aromáticos y aminoácidos ramificados, respectivamente. Cómo el glifosato o los inhibidores de la ALS bloquean estas rutas de biosíntesis de aminoácidos está estudiado a fondo, pero la secuencia de eventos fisiológicos que ocurre entre la aplicación del herbicida y la muerte de la planta no se conoce del todo. Los efectos fisiológicos establecidos hoy en día para ambos grupos de herbicidas son bastante parecidos (a pesar de que las enzimas diana sean diferentes). Algunos estudios muestran que entre estos efectos fisiológicos provocados por el glifosato y los inhibidores de la ALS está el estrés oxidativo, pero su origen (si está ligado a la inhibición de la EPSPS o ALS o es un efecto secundario aparte) y la importancia del daño oxidativo y las alteraciones en los sistemas antioxidantes (como el glutatión) inducidos en la cascada fisiológica que termina con la muerte de la planta no se conocen. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis fue evaluar el papel del estrés oxidativo y el metabolismo del glutatión en el modo de acción del glifosato y los inhibidores de la ALS, tratando de elucidar si está relacionado con el mecanismo de acción de ambos grupos de herbicidas. Se crecieron cuatro poblaciones de la mala hierba Amaranthus palmeri S. Wats.: sensible a glifosato (GFS), resistente a glifosato (GFR), sensible a inhibidores de la ALS (AIS) y resistente a inhibidores de la ALS (AIR). En las dos poblaciones resistentes, la resistencia venía dada por mecanismos target-site (TSR). Las poblaciones GFS y GFR fueron tratadas con diferentes dosis de glifosato, mientras que las poblaciones AIS y AIR fueron tratadas con dosis diferentes de nicosulfuron (una sulfonilurea, inhibidor de la ALS). Se realizaron varios análisis fisiológicos y se compararon, en las hojas de estas poblaciones: acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS), daño oxidativo, sistemas antioxidantes (con especial énfasis en el metabolismo del glutatión) y señalización hormonal.Casi no hubo diferencias entre las plantas sensibles y resistentes no tratadas en los parámetros analizados, mostrando que la TSR no viene acompañada por un estado oxidativo basal diferente. Las plantas GFS y AIS tratadas murieron con todas las dosis de glifosato o nicosulfuron; en cambio, todas las plantas resistentes sobrevivieron. Las plantas GFS y AIS tratadas mostraron una producción y acumulación de ROS mayor que las no tratadas, un efecto que no ocurrió en las resistentes. Esta sobreproducción de ROS en las plantas sensibles tratadas provocó una peroxidación lipídica proporcional a la dosis de herbicida, un indicador inequívoco de estrés oxidativo, y cambios en los sistemas antioxidantes. Solo las plantas sensibles de las dos poblaciones mostraron un incremento de la actividad y expresión génica de la glutatión Stransferasa (GST), indicando la implicación del glutatión como antioxidante. La presencia de estrés oxidativo solo en las plantas sensibles tratadas con glifosato o nicosulfuron y su ausencia en las plantas TSR indica que el estrés oxidativo está relacionado con la inhibición de la EPSPS o la ALS, aunque los mecanismos exactos permanecen sin esclarecer. El daño oxidativo se probó como otro efecto común de ambos herbicidas, pero fue demasiado leve para provocar por sí solo la muerte de la planta. Por otra parte, los dos herbicidas alteraron el perfil hormonal, pero indujeron hormonas diferentes. Así, los cambios observados en el perfil hormonal muestran un efecto diferente de la acción herbicida. Los mecanismos que provocan estos cambios hormonales siguen siendo desconocidos, pero la inducción de ciertas hormonas puede estar relacionada con el estrés oxidativo.
Open Access
Role of glutathione S-transferases in the mode of action of herbicides that inhibit amino acid synthesis in Amaranthus palmeri
(Elsevier, 2024) Eceiza, Mikel Vicente; Jiménez Martínez, Clara; Gil Monreal, Miriam; Barco Antoñanzas, María; Font Farre, María; Huybrechts, Michiel; Van der Hoorn, Reiner; Cuypers, Ann; Royuela Hernando, Mercedes; Zabalza Aznárez, Ana; Institute for Multidisciplinary Research in Applied Biology - IMAB; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Acetolactate synthase inhibitors (ALS inhibitors) and glyphosate are two classes of herbicides that act by inhibiting an enzyme in the biosynthetic pathway of branched-chain or aromatic amino acids, respectively. Besides amino acid synthesis inhibition, both herbicides trigger similar physiological effects in plants. The main aim of this study was to evaluate the role of glutathione metabolism, with special emphasis on glutathione S-transferases (GSTs), in the mode of action of glyphosate and ALS inhibitors in Amaranthus palmeri. For that purpose, plants belonging to a glyphosate-sensitive (GLS) and a glyphosate-resistant (GLR) population were treated with different doses of glyphosate, and plants belonging to an ALS-inhibitor sensitive (AIS) and an ALS-inhibitor resistant (AIR) population were treated with different doses of the ALS inhibitor nicosulfuron. Glutathione-related contents, GST activity, and related gene expressions (glutamate-cysteine ligase, glutathione reductase, Phi GST and Tau GST) were analysed in leaves. According to the results of the analytical determinations, there were virtually no basal differences between GLS and GLR plants or between AIS and AIR plants. Glutathione synthesis and turnover did not follow a clear pattern in response to herbicides, but GST activity and gene expression (especially Phi GSTs) increased with both herbicides in treated sensitive plants, possibly related to the rocketing H2O2 accumulation. As GSTs offered the clearest results, these were further investigated with a multiple resistant (MR) population, compressing target-site resistance to both glyphosate and the ALS inhibitor pyrithiobac. As in single-resistant plants, measured parameters in the MR population were unaffected by herbicides, meaning that the increase in GST activity and expression occurs due to herbicide interactions with the target enzymes.

Eceiza, Mikel Vicente

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