Role of ferritin in the rice tolerance to iron overload

ABSTRACT

Plants ordinarily face iron (Fe) deficiency, since this mineral is poorly available in soils under aerobic conditions. Nonetheless, wetland and irrigated rice plants can be exposed to excess, highly toxic Fe. Ferritin is a ubiquitous Fe-storage protein, important for iron homeostasis. Increased ferritin accumulation resulting from higher Fe availability was shown in some plant species. However, the role of ferritin in tolerance mechanisms to Fe overload in rice is yet to be established. In this study, recombinant rice ferritin was expressed in Escherichia coli, producing an anti-rice ferritin polyclonal antibody which was used to evaluate ferritin accumulation in two rice (Oryza sativa L.) cultivars, either susceptible (BR-IRGA 409) or tolerant (EPAGRI 108) to Fe toxicity. Increased ferritin mRNA and protein levels resulting from excess Fe treatment were detected in both cultivars, with higher ferritin protein accumulation in EPAGRI 108 plants, which also reached lower shoot Fe concentrations when submitted to iron overload. The tolerance mechanism to excess Fe in EPAGRI 108 seems to include both restricted Fe translocation and increased ferritin accumulation. This is the first work that shows higher accumulation of the ferritin protein in an iron-excess tolerant Oryza sativa cultivar, providing evidence of a possible role of this protein in iron tolerance mechanisms.

RESUMO

Deficiência de ferro (Fe) ocorre freqüentemente em plantas, uma vez que este mineral é pouco disponível em condições aeróbicas. Plantas de arroz cultivadas sob alagamento, no entanto, estão sujeitas ao excesso de Fe, que pode ser extremamente tóxico. Alguns cultivares de arroz são resistentes a altas concentrações de ferro, mas os mecanismos fisiológicos responsáveis por essa resistência são pouco conhecidos. A ferritina é uma proteína de ampla distribuição e capaz de armazenar ferro, sendo considerada importante para a homeostase deste metal. Acúmulo de ferritina em condições de alta disponibilidade de ferro já foi descrito em algumas espécies vegetais. Entretanto, o papel da ferritina no mecanismo de tolerância de plantas de arroz ao excesso de ferro não é conhecido. Neste trabalho, expressamos ferritina de arroz em E. coli, produzimos um anticorpo policlonal anti-ferritina de arroz e este foi utilizado para avaliar o acúmulo de ferritina em dois cultivares de arroz (Oryza sativa) considerados suscetível (BR-IRGA 409) e tolerante (EPAGRI 108) ao excesso de ferro. O anticorpo foi capaz de reconhecer ferritina purificada de sementes de ervilha, assim como ferritina de folhas de arroz. Aumentos nos níveis de mRNA e proteína foram observados nos dois cultivares sob excesso de ferro, com maior acúmulo da proteína no cultivar EPAGRI 108. Quando submetidas a excesso do elemento, plantas deste mesmo cultivar atingiram concentrações de Fe mais baixas do que plantas do cultivar BR-IRGA409, principalmente nas partes aéreas. Sugere-se que o mecanismo de tolerância ao excesso de ferro no cultivar EPAGRI 108 inclui limitação da translocação de Fe e aumento do acúmulo de ferritina. Este é o primeiro trabalho que mostra maior acúmulo da proteína ferritina em um cultivar de Oryza sativa tolerante ao excesso de Fe, fornecendo evidência de um possível papel desta proteína nos mecanismos de tolerância a este metal.