Fisiologia Vegetal

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Bases fisiológicas e moleculares em cianobactérias em resposta a presença de arsênio
(Universidade Federal de Viçosa, 2023-12-15) Almeida, Allan Victor Martins; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/5605331353460376
As cianobactérias são bactérias gram-negativas, que realizam fotossíntese oxigênica e possuem uma grande variação morfológica. Elas ainda apresentam uma grande diversidade metabólica e fisiológica, permitindo que colonizem uma gama de habitats aquáticos e terrestres. Em muitos destes ambientes ocorre a presença e acúmulo de diversos metais pesados, bem como de outros elementos tóxicos, como o arsênio (As). O As é encontrado naturalmente no ambiente, mas, nos últimos anos, tem ocorrido um aumento em suas concentrações em decorrência predominantemente da mineração. Devido à sua diversidade metabólica, as cianobactérias são capazes de habitarem ambientes contaminados com As, e também participam do ciclo biogeoquímico desse elemento. Cumpre mencionar que, ao longo do processo evolutivo, as cianobactérias desenvolveram diversas estratégias de resistência e tolerância ao As, incluindo múltiplas biotransformações deste elemento. Alterações morfológicas, fisiológicas e bioquímicas também estão envolvidas na resposta ao estresse por As. Neste contexto, o operon ars (arsBHC) responde pelo principal mecanismo de resistência ao As em cianobactérias: arsC codifica para uma redutase do arsenato, ao passo que arsB ou acr3, codificam uma permease do arsenito. Ressalta-se ainda que, dentre as diferentes morfologias apresentadas por cianobactérias, morfotipos filamentosos parecem possuir uma menor tolerância ao As quando comparadas a linhagens unicelulares. Porém, pouco se sabe sobre qual(is) fator(es) permitem às cianobactérias unicelulares apresentarem essa maior tolerância. Desta forma, o estudo de linhagens de cianobactérias diversas, incluindo as isoladas de ambientes contaminados por As, pode ajudar a elucidar alguns processos e também desvendar novos mecanismos relacionados a essa resistência/tolerância diferencial. Neste estudo, três organismos isolados de ambientes hostis foram identificados e classificados. Também se examinou o crescimento, as alterações metabólicas, fisiológicas e morfológicas de seis cianobactérias expostas a duas concentrações de arsenito. Destaca-se a notável flexibilidade desses organismos em colonizar ambientes contaminados com arsênio, evidenciando sua capacidade de resposta mesmo em altas concentrações desse elemento. Algumas linhagens conseguiram manter ou recuperar padrões de crescimento próximos às condições controle, ressaltando a presença de mecanismos eficientes na mobilização do arsênio. Percebe-se, também, que a produção de um polímero celular externo (EPS) e o aumento nos padrões de agregação celular e tricomas são respostas comuns à exposição ao arsenito, indicando um papel na redução da mobilidade e contato do arsênio com as células. Este estudo fornece insights sobre como o metabolismo desses organismos é afetado pelo arsênio, revelando padrões de resposta que podem ser explorados em estudos futuros. A coleta, identificação e caracterização desses organismos isolados de ambientes contaminados são de grande importância, destacando o potencial uso iotecnológico dessas cianobactérias em ambientes afetados por arsênio. Além disso, o entendimento de seu metabolismo nessas condições contribui para diversas áreas científicas. Palavras-chave: arsênio, cianobactérias, filogenia, metabolismo, morfologia.
Boron: nothing boring about this intriguing element
(Universidade Federal de Viçosa, 2019-09-20) Pereira, Greice Leal; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/0182527666982486
Although Boron (B) is an essential micronutrient for plant growth and development, both deficiency and toxicity of B are important problems that severely affect agricultural production. This fact aside, the impact of these stresses in plants are still poorly understood. Thus, plants may respond differently to B availability through local and systemic signaling, whose mechanisms are yet poorly understood. Previous studies further suggest that ethylene plays a key role in the responses induced by B deficiency in the root system. The main goal of this work was to better understand the physiological and metabolic mechanisms underlying stress caused by B deficiency and excess, as well as to better understand the connections between ethylene and B in modulating plant growth. For this purpose, the responses of different conditions of B availability (deficiency, adequate and toxicity) were investigated in Arabidopsis and ethylene mutant tomato (Solanum lycopersicum) plants. The results obtained in this work demonstrate physiological and metabolic alterations in response to the contrasting conditions of B and that these responses are likely able to generate energy and maintain normal growth in B deficiency. It was also observed an association between B and ethylene levels mediating physiological and metabolic changes. Finally, our study sheds light on the complex relationship between B and ethylene and their overall effects on plant growth and development. The results described here helps to understand the plant's response mechanism to B deficiency and excess, and paves way for identifying the signaling pathways and genes involved in homeostasis and B accumulation in tissues. Although the absence of alterations in plant growth coupled with changes in fruit yield and seed production observed in response to change in the levels of ethylene is somewhat surprising it is tempting to speculate that pathways of energy metabolism and hormone metabolism are most likely highly interconnected at the whole plant level in a manner that allows the plant to prioritize reproductive organs during senescence under B stressfully conditions. It will be important to establish the functional significance of this observation in future studies in order to fully understand the molecular regulatory hierarchy regulating ethylene balance at the whole-plant level, particularly in response to fluctuations in B levels. Key-words: B deficiency, B toxicity, Ethylene, Central Metabolism.
Como a elevada [CO 2 ] pode impactar o desempenho hidráulico e as relações hídricas de cafeeiros cultivados sob diferentes intensidades de luz?
(Universidade Federal de Viçosa, 2022-03-11) Oliveira, Ueliton Soares; Damatta, Fábio Murilo; http://lattes.cnpq.br/4616118405211839
O café é uma espécie originalmente de sombra que foi melhorada para o cultivo a pleno sol, com produções de grãos normalmente maiores nessa condição que à sombra. Entretanto, é uma planta sensível às variações ambientais e mais recentemente tem sido classificada como potencialmente vulnerável às mudanças climáticas globais em curso. Atualmente, há um debate crescente sobre a utilização de sombreamento de cafeeiros como uma estratégia de grande potencial para minimizar os efeitos negativos das mudanças climáticas. Informações recentes também sugerem que a elevação da concentração atmosférica de CO 2 (eC a ) pode mitigar os efeitos de vários estresses abióticos, , como a seca e o calor. Hipotetizou-se aqui que a combinação de diferentes disponibilidades de luz e de CO 2 impactaria a performance fotossintética (e o ganho de biomassa) do cafeeiro via ajustes na sua arquitetura hidráulica, e que tais ajustes seriam mais contundentes em plantas sob alta irradiância, em função da maior demanda hídrica das plantas a pleno sol. Para testar essa hipótese, plantas de café foram cultivadas em vasos de 12 L dentro de câmaras de topo aberto num ambiente controlado de casa de vegetação. As plantas foram submetidas a duas concentrações de CO 2 : ambiente (ca. 457 ppm) ou elevada (ca. 704 ppm) e dois níveis de luz: alta luminosidade (ca. 9 mol de fótons m - dia -1 ) e baixa luminosidade, i.e. restrição de 89% da luz (ca. 1 mol de fótons m -2 dia -1 ). Indivíduos de ca. 12 meses foram utilizados para a avaliação de trocas gasosas, parâmetros hidráulicos e anatômicos, status hídrico, alguns metabólitos e morfologia do sistema radicular. A fertilização com CO 2 e a maior disponibilidade de luz aumentaram o ganho de biomassa e a taxa de assimilação líquida de CO 2 (A), e esses incrementos foram afetados pela interação entre os fatores CO 2 e luz, com efeitos (aumentos) mais marcantes nas plantas ao sol. Observou-se maior condutância estomática nas plantas ao sol que nos indivíduos à sombra. Em adição, verificou-se maior condutância estomática nas plantas ao sol sob eC a , o que foi associado a ajustes hidráulicos e morfológicos em nível de folha e de planta inteira, coordenados com o maior desenvolvimento do sistema radicular associado a uma maior capacidade de transporte de água para a parte aérea; em conjunto, tais ajustes devem ter contribuído para um melhorbalanço hídrico, explicando pelo menos em parte os incrementos observados em A e no acúmulo de biomassa, especialmente nas plantas ao sol sob eC a . Além disso, essas plantas exibiram menor temperatura, tanto em nível foliar quanto de planta inteira em relação às suas contrapartes sob concentração ambiente de CO 2 . As plantas ao sol sob eC a também exibiram valores mais negativos de potencial osmótico no ponto de perda de turgescência, o que permitiria ao xilema operar sob menor risco de colapso do sistema hidráulico. Como um todo, os resultados têm inegável importância para aumentar a sustentabilidade e a resiliência do setor cafeeiro num cenário de mudanças climáticas, especialmente com a maior frequência esperada de eventos de secas e ondas de calor. Nesse contexto, eC a poderia reduzir a importância do sombreamento como uma estratégia de manejo visando à redução dos impactos das mudanças climáticas sobre a produção do cafeeiro. Palavras-chave: Coffea arabica. Concentração de CO 2 . Hidráulica. Luz. Mudanças climáticas. Sombreamento. Temperatura. Trocas gasosas.
Efeito do silício nos mecanismos de tolerância ao estresse por arsênio em Pistia stratiotes L.
(Universidade Federal de Viçosa, 2020-02-21) Santos Neves, Pedro Henrique; Oliveira, Juraci Alves de; http://lattes.cnpq.br/4521224695669281
Embora seja uma operação de grande importância para a fabricação de bens de consumo indispensáveis para o homem, a mineração pode causar sérios impactos ambientais pela geração de resíduos, os quais contêm metais pesados e metaloides, incluindo o arsênio (As). Estudos demonstram a possibilidade da utilização da macrófita aquática Pistia stratiotes na remediação de ambientes contaminados com metais pesados. Com a finalidade de potencializar os mecanismos de tolerância dessa espécie ao As, o presente estudo teve como objetivo avaliar o papel do silício (Si) como agente estimulante dos mecanismos de defesa das plantas em resposta à presença desse poluente em meio aquático. Para tal, plantas de P. stratiotes, foram aclimatadas por 5 dias em solução nutritiva de Clark 1⁄2 força iônica, pH 6,5, em salas de crescimento com temperatura e intensidade luminosa controlados, antes de serem submetidas aos tratamentos com arsenito (arsenito de sódio 10 μM); Si (ácido monossilícico 2 mM) e combinação de As e Si, nas mesmas concentrações anteriores, por 3 d. Plantas expostas ao As apresentaram perda de raízes, redução da taxa de crescimento relativo (TCR), maiores concentrações de espécies reativas de oxigênio (ROS), maior atividade do sistema antioxidante enzimático e redução nos teores dos compostos do sistema antioxidante não enzimático, além de maiores danos oxidativos em membranas e no aparato fotossintético, confirmando o potencial tóxico desse metaloide. A adição de Si, no entanto, mitigou parcialmente a maioria dos danos causados pelo As às plantas, com maior TCR, redução na concentração de ROS e na atividade/níveis dos antioxidantes enzimáticos e não enzimáticos, além de reduzir as perdas fotossintéticas e na fluorescência da clorofila a. Conclui-se, portanto, que o Si exerce papel importante no aumento da tolerância de P. stratiotes ao As por meio de estímulos dos seus sistemas antioxidantes e imobilização do metaloide, fazendo com que as plantas acumulem maiores concentrações do poluente sem que, com isso, apresente os efeitos tóxicos sobre o seu metabolismo. Palavras-chave: Ácido monossilícico. Arsenito. Estresse oxidativo. Planta aquática.
Efeitos interativos da concentração de CO 2 e da disponibilidade de luz sobre o crescimento, o desempenho fotossintético e a plasticidade fenotípica do cafeeiro
(Universidade Federal de Viçosa, 2022-02-23) Souza, Antonio Henrique de; Matta, Fábio Murilo Da; http://lattes.cnpq.br/9279364211711324
Apesar de o café arábica (Coffea arabica L.) ser uma espécie que evoluiu em ambientes sombreados, é cultivado, mais comumente, a pleno sol, como ocorre no Brasil. A espécie é classificada como muito sensível às mudanças climáticas, e o uso do sombreamento em cafezais é considerado uma importante estratégia de manejo para mitigar os efeitos negativos dessas mudanças, de sorte que a adoção do sombreamento em lavouras a pleno sol é assunto atual de destaque na cafeicultura. A cultura apresenta grande plasticidade fenotípica à irradiância, observada quando há diferenças marcantes na disponibilidade de luz. A elevada concentração atmosférica de CO 2 (eC a ) aumenta o desempenho fotossintético do cafeeiro, porém, ainda não se sabe se, e como, a eC a pode afetar o desempenho fotossintético do cafeeiro sob sombreamento mais denso e se a eC a poderia reverter as limitações difusionais impostas às plantas de café nessa condição, quando sua plasticidade fenotípica à luz é induzida. Isso posto, pretendeu-se avaliar como a assimilação e o uso de carbono, bem como o acúmulo e partição de biomassa, são afetados pela disponibilidade de luz e concentração de CO 2 , e como isso poderia impactar a plasticidade fenotípica do cafeeiro à irradiância. Para tanto, foram cultivadas plantas em vasos, dentro de câmaras de topo aberto, em casa de vegetação. Durante 12 meses, as plantas foram submetidas a dois níveis de luz (0% e 90% de restrição lumínica) em combinação com concentração de CO 2 ambiente (aC a : 457 ± 9 µmol mol -1 ) ou elevada (eC a : 705 ± 18 µmol mol -1 ). Foram realizadas avaliações de trocas gasosas e fluorescência de clorofila a, curvas fotossintéticas de resposta à concentração interna de CO 2 (A/C i ), partição e eficiência de uso de nitrogênio, além de análises bioquímicas, anatômicas e biométricas. Os resultados demonstraram que eC a melhorou a performance fotossintética, via aumentos na taxa fotossintética líquida (A) e redução da taxa de fotorrespiração e da pressão oxidativa nos cloroplastos, sem sinais de retrorregulação da fotossíntese. Por um lado, o incremento em C a atenuou os efeitos das limitações difusionais exacerbadas pelo drástico sombreamento, além de aumentar a velocidade máxima de carboxilação da RuBisCO (V cmax ), em paralelo a aumentos na eficiência fotossintética do uso do N, mas sem efeito direto na condutância estomática (g s ) e condutância mesofílica dessas plantas. Em adição, houve maior uso fotoquímico da luz absorvida sob condições de sombra (maior coeficiente de extinção fotoquímico e maioreficiência fotoquímica atual do FSII), em paralelo com maiores concentrações de clorofila e maior investimento em N como um todo na maquinaria fotossintética. Por outro lado, as plantas a pleno sol sob eCa apresentaram maiores valores de g s em paralelo a aumentos na densidade e no índice estomático, além dos maiores valores de A, V cmax e velocidade máxima de carboxilação limitada pela taxa de transporte de elétrons, bem como maior acúmulo de biomassa. Mesmo quando essas plantas foram analisadas sob baixa irradiância, não mostraram grande redução de g s , o que poderia ajudar no maior ganho de biomassa dessas plantas ao longo do tempo. Tanto a maior disponibilidade de luz como de CO 2 impactou positivamente o ganho de biomassa (e A), com efeitos interativos entre esses dois fatores. Sob eC a , o maior crescimento foi primordialmente governado por aspectos morfológicos à sombra (e.g. área foliar total), e fisiológicos ao sol (e.g. A). O sombreamento ora imposto permitiu uma exacerbação da plasticidade fenotípica à luz, sendo o CO 2 um importante fator no processo de manifestação dessa plasticidade. Coletivamente, os resultados oferecem novas informações sobre os efeitos positivos de eC a sobre o desempenho fotossintético e crescimento do cafeeiro, seja a pleno sol ou sob condições de baixa disponibilidade lumínica. Palavras-chave: Coffea arabica. Estômato. Fotossíntese. Luz. Mudanças Climáticas. Plasticidade Fenotípica. Sombreamento.
Enxofre e arsênio em Eichhornia crassipes (Mart) Solms: Metabolômica, fitohormônios, tióis e fitorremediação
(Universidade Federal de Viçosa, 2017-10-25) Nascimento, Gutenberg de Almeida; Oliveira, Juraci Alves de; http://lattes.cnpq.br/2899163364738450
Plantas de Eichhornia crassipes foram sumetidas a uma privação de enxofre e um posterior reabastecimento com sulfato, quando foram então estressadas por arsenato. Buscou-se investigar como a oferta diferenciada de enxofre após uma restrição de enxofre em E. crassipes e a presença de arsênio afetam o seu crescimento, o acúmulo de arsênio e as interações com fitormônios na percepção e resposta ao estresse. Além disso, avaliou-se os efeitos da disponibilidade diferencial de enxofre sobre a acumulação de metabólitos, buscando identificar novos biomarcadores de stress, avaliando a interconecxão de respostas entre o metabolismo primário e secundário em folhas de aguapé, em busca de estratégias mais eficientes para a fitorremediação e tolerância ao metal. Plantas foram aclimatadas em solução nutritiva de Clarck por 7(sete) dias, contendo 1/4 da força iônica, com baixa disponibilidade de enxofre no meio (2,5μM SO 4 - 2 ), trocada a cada 48h. O MgCl 2 foi usado como fonte de magnésio em detrimento do MgSO 4 .Após esse período, foram transferidas para frascos de vidro contendo diferentes concentrações de enxofre em solução. No primeiro tratamento, 2,5μM SO 4 - 2 foram adicionados, já no segundo e terceiros, 200 e 600μM SO 4 - 2 , respectivamente. A esses tratamentos foram adicionados 8μM de arsenato (As(V)) por 24h, onde posteriormente o material foi coletado, e as análises processadas com auxílio de espectrometria de massas. A privação e posterior reabastecimento se mostrou uma estratégia extremamente eficaz quando se trata de novas possibilidades em programas de fitorremediação de arsênio usando a espécie, demonstrando inclusive que a maior oferta de enxofre no reabastecimento, potencializou a capacidade de acumulação do metal. A presença do metal afeta o crescimento vegetal, sendo que plantas cultivadas sobre baixa disponibilidade de enxofre, acumularam menores teores de metal, o que pode ter contribuído para um menor decréscimo em sua TCR. O acúmulo de cisteínas foi potencializado com a maior oferta de enxofre e acumulação de arsênio. Metabólitos responsivos aos diferentes tratamentos foram identificados com auxílio de diferentes técnicas de espectrometria de massas. Arsenato e a oferta diferenciada de enxofre induziram a uma reprogramação metabólica intensa em folhas de aguapé. Cerca de 111 metabólitos se mostraram significativos. Dentre eles, fitormônios como ácido abscísico, ácido jasmônico, citocininas, auxinas, ácido salicílico e o precursor do etileno, ACC. A análise de vias metabólicas afetadas mostra a complexidade de respostas e o papel fundamental que o metabolismo de aminoácidos, da glutationa e do ciclo do glioxilato tem na resposta ao estresse promovido pelo metal, atingindo em cheio o metabolismo energético, seja por alterações na fixação do carbono, seja pelo impacto gerado sobre o ciclo dos ácidos tricarboxílicos (TCA). Após o reabastecimento de enxofre, plantas translocaram a maior parte do enxofre absorvido e do metal para a parte aérea, sendo que a bioacumulação foi maior em folhas crescendo em meio com maior oferta de enxofre (HS). Após a análise dos danos irreversíveis ao aparato respiratório e membranas celulares provocados pelo metal,a hipótese de que a maior oferta de enxofre em solução promove uma menor amplitude de danos celulares relacionados a morte celular pode ser confirmada.Além disso, diferentes grupos de metabólitos secundários respondem diferencialmente ao enxofre e arsênio, ajudando a compreender a reprogramação metabólica em folhas de aguapé.
Evaluation and toxicity of iron and manganese in lettuce (Lactuca sativa L.): bioaccumulation and oxidative damage
(Universidade Federal de Viçosa, 2023-03-01) Kelechi, Blessing Jumoke; Oliveira, Juraci Alves de
The disaster with the Fundao dam in Mariana, MG, Brazil, launched tons of iron ore tailings into the environment, which elevated the levels of iron and manganese in the mining area. Thus, it is imperative to understand how these metallic elements pollutant can buildup in lettuce and also the oxidative damage this pollutant can cause to the lettuce plant. Therefore, we investigated the bioaccumulation, the toxicity symptoms and the oxidative damage of this elements on lettuce. The specimens were subjected to four treatments: control (nutrient solution only); Fe (5 mM Fe-EDTA); Mn (4 mM MnCl 2 ); Fe + Mn, which were assessed at 2 nd day of exposure to treatments. Physiological and biochemical related analysis were performed. The results showed that lettuce plants cannot undergo Fe and Mn metal stress without showing toxicity symptoms. Although the toxicity exhibited by Fe treated plants was more severe than Mn treated plant. Also, the accumulation of the elements in the plant was not altered by their association, it has cumulative effects on the plant and are not competitive in the absorption process. The translocation of Fe from the roots to the leaves was high meanwhile Mn translocation to the leaves was low. Furthermore, a remarkable antioxidant enzymes activity was observed in all treatments but the ROS produced due to the oxidative stress could not be scavenge which led to oxidative damage especially in the Fe isolated and combined treated plants compared to Mn treated plant. Keywords: Reactive oxygen species. Oxidative stress. Antioxidant enzymes. Mining residue.
Growth and morphophysiological responses of eucalyptus seedlings exposed to high [CO2] and elevated temperature
(Universidade Federal de Viçosa, 2018-07-31) Pinto, Samuel de Souza; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/9103934189696930
The area planted with tree species is growing significantly in recent years and the main genus used is Eucalyptus. However, the adequate development of the crop is dependent on several factors such as concentration of carbon dioxide ([CO2 ]) and temperature. Climate changes, mostly related to increases in [CO 2 ] and atmospheric temperature are expected, which will most likely result in changes in plant growth and development. Although the effects of [CO2 ] have been extensively studied, and recent works indicated that high [CO2 ] might mitigate the impacts of high temperature, the interaction between these two environmental factors have not been addressed in eucalyptus to date. Thus, the objective of this work was to investigate responses in eucalyptus seedlings exposed to high [CO2] and elevated temperature using mini-FACE system. To this end, seedlings of two eucalyptus clones were cultivated for sixty-two days in environment with High [CO2] and Heating either combined or isolated. Throughout this period, gas exchanges analyzes were performed. At the end, morphological analyzes and curves of response to light and CO2 were realized, as well as, plant material was harvested for biochemical and anatomical analyzes. The results showed lower growth in response to environmental warming, associated with metabolic changes such as reductions in leaf levels of fructose and starch. On the other hand, increased [CO2] contributed positively to growth and plant biomass accumulation. Plant exposure to these two factors simultaneously resulted in [CO2] mitigation of the negative effects caused in response to plant warming. Therefore, it was possible to conclude that in a global climatic changes scenario, with increase in both [CO2] and atmospheric temperature, metabolic acclimation responses would occur and contribute to the maintenance of seedling growth.
Growth inhibition in an Arabidopsis L,L-diaminopimelate aminotransferase mutant is associated with both metabolic impairments and gibberellin deficiency
(Universidade Federal de Viçosa, 2021-07-27) Gouveia, Débora Gonçalves; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/5712739204658795
Lysine metabolism has been studied for almost 40 years and is clearly involved in plant response to stresses; however, questions regarding the importance of lysine remain open. Here, we investigated the metabolic and physiological impacts of exogenous application of gibberellic acid (GA 3 ) on the development of a mutant with drastically reduced activity of the lysine biosynthesis enzyme L,L-DAPAT (L,L-diaminopimelate aminotransferase). The DAPAT mutation culminated in reduced growth by impacting carbon and nitrogen metabolism, likely associated with apparent putative stress, even under optimal growth conditions. In general, the deficiency in lysine synthesis resulted in a lower content of reducing sugars and starch, especially at the end of the night. Furthermore, a substantial increase in amino acid levels was observed in dapat mutant plants, indicating a metabolic adjustment and consequent imbalance in carbon and nitrogen metabolisms, possibly as- sociated with continued growth in plants deficient in lysine biosynthesis. Mutant plants exhibited a differential expression of CPS, KS, and GA3ox genes, involved in the biosyn- thesis of Gibberellins (GA). Notably, the DAPAT mutation did not eliminate the respon- siveness to exogenous GA application of this mutant, promoting partial recovery of the characteristic dwarf phenotype. Although GA 3 treatment does not seem to affect the met- abolic pattern of the mutant plants, it is possibly responsible for the C/N imbalance, evi- denced by the increased expression of the sugar-starvation marker gene DIN6. Taken together, the results obtained indicate that lysine metabolism is a key point in the balance and allocation of soluble and reserve carbohydrates, and highlight the importance of L,L- DAPAT in controlling growth, primary metabolism, and hormone regulation. Keywords: Amino acids. Lysine biosynthesis. L,L-diaminopimelate aminotransferase. Gibberellin. Metabolic reprogramming.
Hydraulic and chemical mechanisms controlling stomatal and xylem responses to changes in vapor pressure deficit
(Universidade Federal de Viçosa, 2017-11-17) Cardoso, Amanda Ávila; Matta, Fábio Murilo da; http://lattes.cnpq.br/3170012048101914
Estômatos são pequenos poros, localizados na epiderme foliar de quase todas as plantas vasculares, responsáveis pelas trocas gasosas entre a atmosfera e o interior foliar. O poro estomático é delimitado por células-guarda, que aumentam e diminuem em volume em resposta a estímulos endógenos e externos. Em particular, as flutuações no déficit de pressão de vapor entre a folha e a atmosfera (DPV) ditam a abertura estomática ao longo do dia, com influências nas trocas gasosas e na hidratação foliar. Neste estudo, foi testado em girassol (Helianthus annuus) e em soja (Glycine max) se o ácido abscísico (ABA) é importante na regulação das respostas estomáticas ao DPV em plantas ajustadas osmoticamente, ou se a influência do potencial hídrico foliar (Ψ1) sobre a resposta estomática supera a influência desse hormônio. Também foi examinada a capacidade de folhas de girassol de se aclimatarem a uma reduzida disponibilidade hídrica, modificando a sensibilidade do estômato e do xilema ao déficit de água no solo. A condutância estomática durante as transições de DPV não foram associadas ao Ψ1, mas tanto o fechamento estomático em alto DPV quanto a abertura estomática no retorno ao baixo DPV foram fortemente influenciadas pela concentração de ABA na folha. Demonstrou-se que a produção de ABA foliar em alto DPV é desencadeada por variações na turgescência celular e não por alterações no Ψ1 per se. Plantas de girassol ajustadas osmoticamente mantiveram maior abertura estomática a Ψ1 mais negativos e uma reduzida sensibilidade de dano fotossintético ao estresse hídrico. Ao mesmo tempo, a vulnerabilidade hidráulica do xilema variou em resposta à condição de crescimento, com plantas sob seca produzindo condutos xilemáticos com paredes celulares mais grossas e mais resistentes à cavitação. A plasticidade coordenada entre o potencial osmótico e a vulnerabilidade do xilema permite que girassóis crescidos em seca extraiam água do solo com mais segurança, protegendo o xilema das folhas do embolismo. A alta plasticidade da vulnerabilidade do xilema encontrada em girassol pode sugerir uma estratégia alternativa em espécies herbáceas durante o déficit hídrico.
Identificação de características fisiológicas relacionadas à tolerância ao déficit hídrico em clones comerciais de Eucalyptus spp. e Corymbia spp..
(Universidade Federal de Viçosa, 2018-07-31) Reis, Lílian Alves Carvalho; Oliveira, Juraci Alves de; http://lattes.cnpq.br/1085356802752509
O déficit hídrico é o maior limitante à produtividade de Eucalipto, portanto, faz-se necessário incluir análises que permitam a seleção de indivíduos superiores em programas de melhoramento genético com o objetivo de aumentar a produtividade. Contudo, existem muitas variáveis relacionadas à tolerância ao déficit hídrico. Assim, o objetivo desse estudo foi selecionar variáveis que permitam a seleção precoce de indivíduos tolerantes ao déficit hídrico. No primeiro capítulo, características ligadas ao crescimento foram avaliadas e foi observado que as variáveis mais aplicáveis à separação de clones para tolerância foram: peso seco do caule, peso total da planta, taxa fotossintética, condutância estomática, transpiração, incremento % em altura, teor relativo de água, suculência e relação Ci/Ca. No segundo capítulo, variáveis relacionadas ao metabolismo enzimático antioxidante e estresse hídrico foram avaliadas, sendo que as variáveis mais aplicáveis à separação de clones para tolerância foram fotossíntese, relação Fv/Fm, clorofila a, clorofila b e glutationa. No terceiro capítulo, variáveis relacionadas à síntese de metabólitos foram avaliadas. As variáveis mais aplicáveis à separação de clones para tolerância foram fotossíntese, relação Fv/Fm, clorofila a, clorofila b e glutationa, ácido abisisico, metil jasmonato e glicose. No quarto capítulo, variáveis morfoanatômicas e nutricionais foram avaliadas. As variáveis mais aplicáveis à separação de clones para tolerância foram condutância estomática, relação Fv/Fm e concentração de cálcio. As variáveis peso total da planta, incremento em altura %, teor relativo de água são úteis na seleção e, como vantagem adicional, essas análises requerem instrumentos simples como balança, estufa e fita métrica. Para as variáveis fotossíntese, relação Fv/Fm e Condutância estomática é necessário o uso do equipamento IRGA. Assim sendo, essas variáveis podem ser facilmente usadas nas empresas para a seleção precoce de indivíduos com potencial para serem tolerantes em campo, desde que a avaliação do material genético seja feita sob condições de déficit hídrico natural ou simulada.
Impactos das nanopartículas de níquel em Pistia stratiotes: absorção, toxicidade e mecanismos de tolerância
(Universidade Federal de Viçosa, 2022-03-18) Brito, Fernando Antônio Gomes; Oliveira, Juraci Alves de; http://lattes.cnpq.br/3882471026608216
Devido à falta de legislação e investimento para o descarte correto de resíduos gerados nos processos produtivos da indústria, agricultura e mineração, a deposição irregular de metais pesados como o níquel (Ni) tem causado a degradação e contaminação de áreas e águas subterrâneas, além de representar riscos à saúde pública. Apesar dos estudos avançados que investigam os efeitos dos metais pesados às respostas fisiológicas e os mecanismos de tolerância, existe ainda uma falta de conhecimento sobre as respostas das plantas desencadeadas pelas nanopartículas de níquel. Portanto, objetiva-se neste projeto utilizar plantas de Pistia stratiotes para elucidar a dinâmica fisiológica celular em resposta ao estresse por Ni na forma de nanopartículas. Para melhor compreender este fenômeno, plantas de P. stratiotes, foram aclimatadas por 3 dias em solução nutritiva de Clark ½ força iônica, pH 6,5, em salas de crescimento com temperatura e intensidade luminosa controlados, antes de serem submetidas aos tratamentos com nanopartículas de níquel (NiNP) e sulfato de níquel (NiSO 4 ) separadamente em concentrações de 0,3, 1,5 e 7,5 mg L -1 cada. Foram analisados a absorção do metal pela planta, taxa de crescimento, pigmentos, fluorescência da clorofila, parâmetros fotossintéticos, metabolismo antioxidante enzimático, integridade de membrana, concentrações de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) e peroxidação lipídica (MDA). As plantas expostas ao NiSO 4 tiveram menores taxas de crescimento, maiores concentrações de H 2 O 2 e MDA, enquanto as plantas expostas às NiNPs tiveram maior acúmulo de níquel nas folhas, as trocas gasosas foliares mais afetadas e maior fluorescência da clorofila a. Conclui-se que a P. stratiotes é capaz de absorver e remover NiNP do meio, e que mesmo em maiores concentrações nos tecidos da planta, as nanopartículas apresentaram efeitos diferentes do sal do mesmo elemento sobre o seu metabolismo, sendo ambas prejudiciais à planta. Palavras-chave: Metal pesado. Antioxidante. Estresse abiótico. Planta aquática.
Impacts of drought on coffee: integrating physiological and morphological processes from the leaf to the whole-plant scale
(Universidade Federal de Viçosa, 2018-04-09) Pérez Molina, Junior Pastor; Matta, Fábio Murilo Da; http://lattes.cnpq.br/8677796724002735
The water deficit negatively impacts plant growth and development through morphophysiological alterations, either at the leaf level or at the whole plant level. This study focused on the dynamics of ecophysiological and canopy architecture traits of two coffee cultivars, cv. RUBI MG1192 (Rubi: drought sensitive) and cv. IAPAR59 (I59: drought tolerant). The trials were conducted over two years; three irrigation treatments were applied (irrigated and non-irrigated during the dry seasons, and irrigated during the second dry season only). Samplings and measurements were performed at six times (7- 10 plants per treatment combination, totalling 211 plants). The following parameters were evaluated: relative growth rate, net primary productivity, leaf composition (C, N, and Δ13C), water-use efficiency, phenotypic plasticity, leaf water potential (Ψ L), sap flow (SF), canopy conductance (gC), total soil-to-leaf hydraulic conductance (gL), branch setting (number and length), number of phytomers, leaf shedding and renewal, dynamics of leaf area and internode length; in addition, the patterns of light intercepted by the canopy was modelled. The cultivar which retained its leaves under severe drought (I59) proved to be more isohydric and more plastic for hydric functioning (SF, gC, and gL), demonstrating precocious adjustments to drought. In contrast, the leaf-shedding cultivar (Rubi) was more anisohydric and more plastic for late reactions to drought through, e.g. an increased root dry mass-to-leaf area ratio and leaf shedding with faster leaf renewal due to greater number of branches of second order. Despite marked differences in their hydric functioning, the two cultivars expressed similar vegetative growth, yield and recovery. Overall, drought had effects on all of the studied variables but no architectural trait appeared to be specifically responsive to water stress. Rubi displayed a greater proportion of higher order branches allowing a fast recovery of its leaf area from drought. This was associated with a high number of phytomers that in turn supported faster development of axillary buds (leaves and/or floral buds). The fitness of coffee plants submitted to climatic events depends on the adequacy of physiological and organo-morphogenetic features and, consequently, these aspects should be accounted for in breeding programs aimed at improving drought tolerance in coffee.
Incrementos na concentração atmosférica de CO2 aumentam o crescimento e o desempenho fotossintético do cafeeiro, independentemente da disponibilidade de luz
(Universidade Federal de Viçosa, 2020-09-11) Marçal, Dinorah Moraes de Souza; Matta, Fábio Murilo Da
Apesar de ter evoluído em ambientes sombreados, a maior parte do café (Coffea arabica L.) é cultivada sob sombreamento esparso ou a pleno sol, em todo o mundo. O café é classificado como muito sensível às mudanças climáticas, e o sombreamento é considerado uma importante estratégia de manejo para mitigar os efeitos negativos das mudanças climáticas à cultura. No entanto, não existem informações sobre os efeitos de uma elevada concentração de CO2 (eCa) no desempenho do café em resposta à disponibilidade de luz. Sendo assim, examinou-se como a assimilação e o uso de carbono são afetados pela eCa em combinação com níveis variáveis de luz e como isso pode mudar o crescimento e a partição de biomassa. Para tanto, cultivaram-se plantas em vasos, dentro de câmaras de topo aberto, em casa de vegetação. Durante seis meses, as plantas foram submetidas a dois níveis de luz (radiação fotossinteticamente ativa de c. 16 ou 7,5 mol fótons m-2 dia-1) em combinação com concentração de CO 2 ambiente (aCa: 382 ± 9 ppm) ou elevada (eCa: 744 ± 36 ppm). O estímulo às taxas fotossintéticas sob eCa ocorreu independentemente de variações nas condutâncias estomática e mesofílica; também não se observaram sinais de retrorregulação das taxas fotossintéticas, independentemente da intensidade luminosa. Particularmente sob sol e eCa, as plantas apresentaram reduções nas taxas de fotorrespiração e na pressão oxidativa em relação às plantas sob aCa, favorecendo um balanço positivo de carbono. Independentemente da intensidade luminosa, eC a promoveu maior crescimento e acúmulo de biomassa, bem como uma pequena alteração no padrão de alocação de biomassa, em função do incremento da fração caulinar. Adicionalmente, plantas sob a maior intensidade luminosa e eCa apresentaram a menor razão de área foliar e a maior razão de massa seca radicular/área foliar total. No geral, os presentes resultados sugerem que: (i) as plantas sob eCa estão preparadas para suportar melhor os impactos de outros estresses típicos de plantações a pleno sol, e; (ii) a eCa poderia agir em conjunto com o sombreamento para mitigar os efeitos negativos das mudanças climáticas, aumentando a sustentabilidade da cafeicultura. Palavras-chave: Aclimatação fotossintética. Mudanças climáticas. Sistema agroflorestal. Sombreamento.
The inorganic carbon source and concentration affect growth and central metabolism in a microcystin producer cyanobacteria
(Universidade Federal de Viçosa, 2019-07-31) Castro, Naira Valle de; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/4819826519596425
Cyanobacteria, microorganisms belonging to the Bacteria domain, are widely distributed geographically, yet most genera are found in freshwater environments. Some cyanobacterial strains are able to produce toxins (cyanotoxins), like microcystins (MCs), that show hepatotoxic effect in animals. The genetic basis, chemical structure, and biosynthetic route as well as microcystin action in eukaryotic organisms have been deeply studied. However, it remains unknown which are the roles played by such compounds in the producing organism. Here, we tested the hypothesis that growth medium supplied with different concentrations of inorganic carbon (Ci) source promotes metabolic and physiological adjustments coupled with changes in MC production. To this end, the cyanobacterial strain Scytonemataceae CCM-UFV057 was cultured in different growth medium, (i) standard BG-11 0 (supplied with 0.02 g·L - of sodium carbonate), as control; (ii) BG-11 0 without Ci (T1); and (iii) BG-11 0 supplied with two concentrations of sodium bicarbonate, 0.016 g·L -1 (T2) and 1.6 g·L -1 (T3). Growth evaluation together with physiological and biochemical analysis as well as MC’s quantification were carried out. Growth parameters of CCM-UFV057 were similar for all growth conditions. Both T1 and T2 lead to similar metabolic patterns, despite different responses in both photosynthetic and respiratory rates. The strain CCM-UFV057 was able to produce five MCs congeners, with the variants showing m/z of 540 and 1037 as the most abundant forms in all conditions. MCs production was highly influenced by Ci concentration, and T1 and T3 lead to the higher and lower MC concentration, respectively, indicating that low Ci concentrations somehow improve the MC production. Notably, the carbon source (carbonate versus bicarbonate) did not seems to affect MC production. Taken together, our data suggest that high amounts of MC under low Ci conditions can contribute to the maintenance of photosynthetic rates, keeping both higher carbon assimilation rates and cellular homeostasis without growth impairments.
An integrated multi-layered analysis on Desmonostoc
(Universidade Federal de Viçosa, 2019-07-31) Almeida, Allan Victor Martins; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/5605331353460376
Cyanobacteria (phylum Cyanobacteria) are gram-negative bacteria, capable of performing oxygenic photosynthesis. These microorganisms form a phylogenetically coherent group despite presenting a great morphological diversity. Although the taxonomic classification of cyanobacteria was for a long time based primarily on morphological characters the application of other techniques, especially in the last decades, contributed to a better resolution of the cyanobacteria systematics, leading to a revision of the phylum. Accordingly, polyphasic approaches applied to the study of strains described as belonging to the genus Nostoc have indicated a polyphyletic origin of this genus, when considered its description based solely on morphological criteria. Thus, the taxonomy and systematics of strains closely related to the genus Nostoc have been reviewed leading to the description of new genera. Although the genus Desmonostoc occurs as one new genera, relatively few studies have been carried out to elucidate the phylogenetic and morphological relationships among its species, as well as between members of this genus and those closely related. In fact, only one study performed the characterization of a Desmonostoc strain, culminating with the description of the species D. salinum whereas another described the possible biotechnological application of members of this genus. In this context, the present study investigated the diversity within the genus Desmonostoc, based on morphological, molecular, metabolic and physiological characters. Although the last character is a non-usual tool used in the polyphasic approach it was efficient in the characterization of the genus Desmonostoc performed here. Our phylogenetic analysis for the 16S rRNA gene put all strains used here in the D1 cluster of Desmonostoc and demonstrate the possible emergence of two novel sub-clusters. It was also possible to observe that the nitrogenase genes, nifD and nifH, exhibits different evolutionary histories within the Desmonostoc strains. Collectively metabolic and physiological data, coupled with the morphometric ones are, in general, in good agreement with the separation based on the 16S phylogeny. Furthermore, it provide important information on the diversity of Desmonostoc lineages collected from different brazilian biomes by revealing that they are cosmopolitan strains, acclimatized to low luminous intensities, with great metabolic diversity within the same genus and with biotechnological potential.
Involvement of glutathione availability on arsenic tolerance in Pistia stratiotes L. (ARACEAE)
(Universidade Federal de Viçosa, 2021-11-03) Silva, Vinícius Melo da; Oliveira, Juraci Alves de; http://lattes.cnpq.br/4358126347977583
Glutathione is a multifunctional peptide important for response to multiple stress conditions in plants, such as arsenic (As) stress. Following recent results, which demonstrate that aquatic macrophytes, such as Pistia stratiotes, exhibit As tolerance linked to a glutathione metabolism, we investigated in presented study, how much glutathione availability can alter plant response to As, using a tolerant As concentration determined in the literature for P. stratiotes, but under glutathione limitation, with a glutathione synthesis inhibitor, DL-Buthionine sulfoximine (BSO). The plants were grown in the nutrient solution, pH 6.5, 1/2 ionic strength, and used in two experimental approaches. The first approach aimed to identify the most critical demands in glutathione metabolism during As exposure. The experiment consisted of a factorial design with 2 concentrations of sodium arsenite (0 and 5 µM) and 5 BSO concentrations (0, 25, 50 100, and 200 µM) in 5 replications and one plant per pot (0.25 L) exposed for 48 hours in a controlled condition in a growth room. The second approach aimed to evaluate how glutathione availability can alter As concentration in plant and physiological processes, such as photosynthesis, respiration, sugar content and antioxidant parameters. The experiment consisted of 4 treatments: Control (nutritive solution), BSO (200 µM), sodium arsenite (5 µM) and As (5 µM) + BSO (200 µM), in 5 replications and one plant per pot (0.25 L) exposed for 48 hours in a controlled condition. In both experiments, As concentration in roots decreased about 50% under BSO treatments, with increased As translocation to leaves at 3-times. Arsenic exposure induced glutathione metabolism responses, especially in roots, with increased activity of antioxidant enzymes and enzymes and compounds linked to As detoxification. All glutathione metabolism was affected by BSO, starting from γ-glutamyl-cysteine synthetase (γ- ECS), followed by depletion of glutathione content in plant. In our experiments, Glutathione peroxidase (GPX) and Dehydroascorbate reductase (DHAR) indicated high sensitivity to glutathione availability than Glutathione-S transferase (GST) and the Phytochelatins (PC) content. However, glutathione reductase functions are well preserved in glutathione depletion; furthermore, GSH-independent functions, such as Catalase (CAT), Ascorbate Peroxidase (APX) and Ascorbate increasing their activity. Other aspects were also affected by glutathione, especially in photosynthesis, with decreased carbon assimilation rates linked to increased oxidative stress markers and changes in starch content in plant. Also was affected by As exposure the pigment content, heat dissipation and electron transport rate. Furthermore, this damage is enhanced by glutathione depletion in two respects, the first linked to increased As translocation to leaves and the second to decreased redox protection on BSO exposure. Based on the results, it is possible to conclude that the tolerance of P. stratiotes to As can be largely explained by the activity of glutathione metabolism, which participates in different aspects of the plant's survival in environments contaminated with arsenic and can define the performance of this aquatic plant in phytoremediation processes of this contaminant. Keywords: GSH. Arsenite. BSO. Aquatic Plant. Phytoremediation.
Metabolic and physiological aspects associated with differential aluminum tolerance in maize
(Universidade Federal de Viçosa, 2020-02-18) Silva, Marcelle Ferreira; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/1429418814649373
Maize (Zea mays) is a major crop cultivated worldwide with several uses including animal feeding human consumption and alcohol production. Notably, it is mostly cultivated in tropical and subtropical regions, where acid soils are prevalent. In those acidic soils, the toxicity triggered by aluminum (Al), in special Al 3+ , is the main factor limiting agricultural production. In this context, strategies aiming at developing stress-resistant crops could increase productive capacity and reduce yield penalty. Al tolerance in maize has been associated with organic acid (OA) exudation, mediated mainly by the membrane transporter family MATE (MULTIDRUG AND TOXIC COMPOUND EXTRUSION). Which are responsible for citrate exudation to rizosphere in an OA/H + antiport in root cells in response to Al toxicity. In this study, we used five genotypes derived from Al-intermediate tolerant (L3) and Al-sensitive (L53) genotypes with differential expression of the gene MATE that culminated with differential Al tolerance. Given that OA is intimately related with tricarboxilic acid cycle the metabolic consequences of this differential Al-tolerance were investigated. Higher Al content was observed in Al treated samples in all genotypes comparing with its respective controls. Interestingly, Al treated seedlings of tolerant genotypes showed higher increase in Al content than seedling of sensitive ones. This fact aside, higher accumulation of Al was observed in roots of genotypes with lower OA exudation. Moreover, this change in Al uptake and transport also lead to significant changes in mineral elements content including calcium and magnesium. Histochemical evaluation of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and superoxide (O 2- ) in roots indicate that accumulation of those reactive oxygen species was actually higher in absence of Al and that it was similar in presence of Al for tolerant genotypes, suggesting that cell division was less affected in those genotypes. Al tolerant genotypes were characterized by minor disturbances in primary metabolism (i.e. photosynthesis and respiration) while the sensitive genotypes, with little if any OA exudation, were characterized by Al-damage effects (i.e. root and shoot growth) since the first hours of Al exposure. Although our findings indicate that different organs of the same species can present distinct Al resistance and/or tolerance mechanisms they were collectively able to provide a better understanding of the mechanisms used by maize genotypes to avoid or to minimize Al toxicity. Keywords: Citrate exudation. Abiotic stress. Root growth. ZmMATE1
Metallic elements in plants: bioaccumulation, phytoremediation potential and physiological responses
(Universidade Federal de Viçosa, 2022-07-20) Coelho, Daniel Gomes; Oliveira, Juraci Alves de; http://lattes.cnpq.br/5608593903022091
Pollution caused by metallic elements in the environment is becoming increasingly problematic worldwide. In the current work, several aspects of the metallic elements in plants were investigated, including the accumulation in species affected by an environmental disaster involving the disruption of a mining tailing dam; the physiological responses and phytoremediation potential of the aquatic macrophyte water lettuce (Pistia stratiotes) subjected to excess iron (Fe) and manganese (Mn), and combinations of Fe, Mn, and arsenic (As); and, finally, the in vivo monitoring of As-induced responses in Arabidopsis thaliana plants. We found a concerning enrichment of metal accumulation, especially for Fe and Mn, in the plant species evaluated in affected areas by mining tailings. Considering the spreading potential of contamination in aquatic environments, water lettuce plants, which are often used in phytoremediation studies, were tested for removal of excess Fe and Mn, along with the association with As. The plants displayed a great accumulation of Fe, mainly trapped in roots, whereas Mn was hyperaccumulated in shoots and roots. Accumulation of Mn was observed especially in the apoplast, avoiding major impairments of physiological processes. In presence of As, the plants displayed root loss as an acclimation response, followed by re-emission of the organs. Nonetheless, the specimens were able to maintain a high accumulation of the pollutants, supplied isolated or in association, demonstrating phytoremediation potential in multi- contaminated environments. Furthermore, the in vivo measurements using genetically-encoded biosensors showed intriguing stability of Mg-ATP 2− levels upon short-term arsenate (AsV) exposure. We also observed that the depletion of the GSH pool is the most likely cause of glutathione redox potential (E GSH ) oxidation. The findings presented here emphasize the importance of continuing to monitor metal-contaminated areas, as well as exposing alternatives for phytoremediation of aquatic environments and providing new insights into plant metabolism in response to pollutants. Keywords: Aquatic plants – Pollution effect. Aquatic plants – Heavy metal effects. Pistia stratiotes. Heavy metals. Aquatic plants – Metabolism.
On the function of guard cell transporters in the response of Arabidopsis thaliana to changes in CO2 and water availability
(Universidade Federal de Viçosa, 2019-02-25) Luz, Luana Moraes da; Araújo, Wagner Luiz; http://lattes.cnpq.br/7249150408731894
Plants represent the major sources worldwide of human foods and livestock feeds. Thus, future food security will clearly depend on how plant species respond to global environmental changes. Increases in carbon dioxide concentration [CO 2 ] in the atmosphere and fluctuations in rain patterns are amongst the main climate changes affecting crop yield. Notably, crop yield decreases under drought, yet elevated [CO 2 ], when associated with drought, may mitigate the negative effects of drought. Among the physiological effects of elevated [CO 2 ], partial stomatal closure and synergistically increased water use efficiency (WUE), leading to higher growth, are usually observed. However, either higher growth or survival of plants under high [CO 2 ] will directly depend on the degree of water availability into the soil. Water losses are controlled directly by the stomata, functionally specialized microscopic pores in leaf surface, that regulates the flow of gases between plants and atmosphere. Accordingly, stomata are the key entry point for CO 2 assimilation and water losses, controlling the essential exchange of CO 2 and H 2 O with the environment in land plants. Stomatal movements occur in response to the activation and inactivation of membrane proteins present in the guard cells. The relationship between stomatal aperture and photosynthesis/transpiration is linear over a wide range of environmental conditions. Thus, a better understanding of stomatal regulation by environmental stimuli represents an important step for developing plants in which WUE and photosynthesis capacity are optimized, once the maintenance of photosynthesis, one of the main events of the primary metabolism, and its capacity may directly influence crop yield. This thesis is largely focused on the role of proteins involved in the stomatal movements in response to changes in both [CO 2 ] and water availability. To this end, two stomatal proteins in Arabidopsis thaliana, namely the slow-type anion channel (SLAC1) and the ATP-binding cassette B14 transporter (ABCB14) were used to further investigate the duality of the efficiency between the CO 2 influx and the water efflux by the stomata under elevated [CO 2 ] and water limitation. SLAC1 is considered a key protein for stomatal closure in response to drought and [CO 2 ], while ABCB14 is the sole influx transporter of malate of the guard cell and is only responsive to increased CO 2 . The main goal of this study is to increase our understanding of the stomatal regulation in response to a realistic future climate change scenario using a metabolic, physiological, anatomical and molecular characterization of mutant plants with opposite stomatal responses. First, our results demonstrated that slac1 mutant plants are seemingly constantly under stress effect, regardless of the water restriction, since to sustain the increased stomatal conductance (g s ) slac-1 mutant plants display an elegant metabolic reprogramming that is apparently crucial for growth survival under moderate water limitation. Here we further hypothesized that ABCB14 may play an important role while allowing a modest stomatal opening that may be essential for continuity of gas exchanges under high [CO 2 ] conditions. In the second part, it was demonstrated that despite the reductions in the stomatal opening, the absence of a functional guard cell ABCB14 protein does not compromise overall photosynthetic activity and growth and that an exquisite metabolic and genetic regulation occurs in guard cells likely compensating, at least partially, the functional lack of abcb14. The data obtained here are discussed in the context of the role of each guard cell transport both generally to guard cell and photosynthetic metabolism and specifically with respect to its function in the regulation of stomatal aperture.