Fisiologia Vegetal
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Item Photosynthetic acclimation of coffee in response to water availability and fruiting: a hydraulic and hormonal approach(Universidade Federal de Viçosa, 2018-09-25) Almeida, Wellington Luiz de; Matta, Fábio Murilo da; http://lattes.cnpq.br/1352377403804748The overall coordination between gas exchanges and plant hydraulics may be affected by the soil availability of water and source-to-sink relationships. Here we evaluated how coffee (Coffea arabica L. cv. Catimor) trees are able to acclimate their photosynthesis in response drought and fruiting. The plants, which were 6-yr- old at the beginning of trials, were grown in the field at full sunlight, and subjected to four treatment combinations: irrigated plants with fruits (I*F); irrigated plants with no fruits (I*NF); non-irrigated plants with fruits (NI*F) and non-irrigated plants with no fruits (NI*NF). A range of traits, encompassing from photosynthesis traits, water relations, growth and hormonal profile, were assessed. Over the course of the experiment, the non-irrigated plants displayed lower averaged values of predawn water potentials (-0.5 MPa) than their irrigated counterparts (-0.2 MPa). We showed that under mild water deficit conditions, irrigation per se did not impact growth rates but could reduce branch death significantly. These findings were unrelated to changes in leaf assimilate pools. We also demonstrated that fruiting provoked a feedforward effect on net photosynthesis rate that was fundamentally coupled to an enhanced stomatal conductance. Indeed both the mesophyll conductance and maximum rate of carboxylation by RuBisCO remained unchanged in response to the applied treatments. The increase in stomatal conductance was unrelated to varying abscisic acid levels or differential sensitivity to abscisic acid, although it was likely associated with a lower stomatal sensitivity to leaf-to-air vapor pressure difference. In parallel, the increases in transpiration rate were supported by coordinated alterations in plant hydraulics which should to a large extent explain the maintenance of plant water status regardless of fruiting-related variations in stomatal conductance and transpiration rate. In summary, we showed that stomatal conductance played a major role in the coordination between source capacity and sink demand regardless of irrigation, with concomitant changes in plant hydraulics. Therefore, these aspects should be considered in breeding programs to improve drought tolerance in coffee in face of the present and ongoing climate changes.Item Role of mitochondrial thioredoxin for redox regulation in the metabolism of Arabidopsis Thaliana(Universidade Federal de Viçosa, 2017-03-16) Pereira, Paula da Fonseca; Nesi, Adriano Nunes; http://lattes.cnpq.br/6419216674405263Redox-dependent changes substantially influence the functional activity of several proteins and participate in the regulation of the most vital cellular processes. Accordingly, thioredoxins (Trxs), small proteins containing a redox active disulfide group within its catalytic domain, have a fundamental role in the regulation of the redox environment of the cell. In plants, Trxs were early identified as mediators between light-driven electron transport and dark carbohydrate metabolism in chloroplasts. In other cell compartments than plastids, and in particular mitochondria, a growing body of information concerning Trx redox regulation has been obtained with the advent of proteomics and mass spectrometry-based techniques. Extraplastidial Trx system is comprised of two highly similar isoforms of NADPH-dependent Trx reductase, A and B, that are encoded by two distinct genes in Arabidopsis, whose gene products are denominated NTRA and NTRB and are both target to cytosol and mitochondria. The extraplastidial Trx system is also composed of several Trx h (in the cytoplasm) or Trx h and o in mitochondria which are, in turn, reduced by NTRA and NTRB. Previous studies showed that, in contrast to ntra and ntrb single knockout mutants, which show no visible phenotypic modifications under normal conditions, the double ntra ntrb mutant exhibit major modification differences. Previous studies have provided a significant contribution to our understanding of the TRX system in plants; however, the metabolic impact of this system has not been comprehensively evaluated. In order to gain more insight into the physiological and metabolic function of TRX system, the present study aimed to investigate the functional significance of Trx in cytosol and mitochondria by using an extensive steady state metabolic characterization of T-DNA insertional lines in Arabidopsis thaliana. That being said, here we focused on the investigation of the functional roles of TRXs in response to stress conditions and how Trxs and the regulated pathways interact to adjust to different cellular and metabolic requirements under normal growth conditions or following stress. In brief, the results presented here provided several novel findings and generated, at least preliminary, mechanistic interpretation of the impact of redox regulation on plant growth and carbon central metabolism. First, we characterized ntra ntrb double knockout mutant and two lines of the mitochondrial AtTRX-o1 subjected to multiple drought episodes. Our results indicate that Trx mutant plants are able to better cope with drought stress, which is probably linked with a lower energetic expenditure that would allow a faster recover in Trx mutants. In addition, we demonstrated the existence of a drought memory in plants by examining differential acclimative mechanisms associated with drought tolerance in Trx mutants of the mitochondrial Trx pathway in Arabidopsis. Moreover, it seems likely that this differential acclimation involves the participation a set of metabolic changes as well as redox poise alteration following recovery. The main results indicate that prior drought exposure is able to affect the subsequent response, indicating the occurrence of stress memory in drought stressed Arabidopsis plants. In addition, by evaluating physiological and metabolic responses of ntra ntrb and trxo1 mutants following high CO 2 enrichment and by the characterization of mitochondrial trxh2 knockout mutants, we demonstrate several evidences suggesting the importance of redox regulation by mitochondrial Trxs on stomatal function. Collectively, our data suggest a significant modulation of stomatal function by organic acids at high CO 2 in Trx mutants and, at the same time, they demonstrate that elevated CO 2 partly restored the metabolic response, including the intermediates of the TCA cycle, in Trx mutants. Overall, the results obtained are discussed both in terms of the importance of Trx for redox regulation in plant cell metabolism and with regard to the contribution that it plays in terms of total cellular homeostasis. The results discussed here not only provide important insight into the role of mitochondrial Trx system on the TCA cycle but also present a roadmap by which the role of Trx in the regulation of other key metabolic reactions of the mitochondria.Item Identificação de fatores genéticos envolvidos no controle da respiração e potencialização da fotossíntese em folhas de tomate(Universidade Federal de Viçosa, 2012-07-10) Silva, Franklin Magnum de Oliveira; Nesi, Adriano Nunes; http://lattes.cnpq.br/4636590232692168Para identificar regiões genômicas envolvidas na regulação de importantes parâmetros fisiológicos como fotossíntese, respiração e processos relacionados. Sessenta e seis linhagens introgredidas de S. pennellii em fundo genético de S. lycopersicum, foram cultivadas em condições semicontroladas até o estádio vegetativo. Nesse estudo, examinaram-se os parâmetros de trocas gasosas e florescência da clorofila a, acúmulo de biomassa e o conteúdo de alguns metabólitos relacionados com o metabolismo do carbono e do nitrogênio. 23 ILs apresentaram taxas fotossintéticas superiores ao parental M82. Essa maior assimilação líquida de CO 2 foi fortemente correlacionada com condutância estomática. Em adição, uma correlação positiva entre a fotossíntese e os parâmetros de fluorescência sugere que maior taxa fotossintética pode estar associada a alterações nos parâmetros de fluorescência. Quanto ao metabolismo do carbono, verificou-se uma alta correlação negativa entre a produção de biomassa e o acúmulo de amido indicando que amido também pode atuar como um importante metabólito integrador na regulação do crescimento vegetativo. Em relação ao metabolismo do nitrogênio, constatou-se que a maior eficiência na incorporação do N inorgânico esteve fortemente relacionada ao acúmulo de amido. Por meio de análises multivariadas, foi possível identificar 21 ILs que diferiram da espécie parental S. lycopersicum. Dentre estas, a IL 7-5 diferiu de modo mais relevantes das demais ILs e do M82. Em virtude de estudos anteriores relatarem um alto rendimento de frutos por parte desta IL, esta região cromossômica torna-se promissora na identificação de fatores genéticos envolvidos no controle da respiração e potencialização da fotossíntese em folhas de tomate.Item Caracterização fisiológica e metabólica de folhas de cultivares de cana de açúcar contrastantes para tolerância à seca(Universidade Federal de Viçosa, 2012-11-21) Soares, Eduardo de Almeida; Loureiro, Marcelo Ehlers; http://lattes.cnpq.br/8659607598772430O estresse hídrico é um dos estresses de maior importância na produtividade das plantas. Objetivando fornecer evidências de possíveis mecanismos de tolerância à seca, no presente trabalho caracterizou-se a fisiologia e o metabolismo de folhas de plantas de cana de açúcar, de cultivares contrastantes para a tolerância à seca. Para tal, plantas das cultivares RB867515 e RB855536, com características de tolerância e sensibilidade, respectivamente, foram crescidas em vasos de 30L até aproximadamente 50 cm de altura, quando foram submetidas aos potenciais hídricos de 0 MPa (controle), -0,5 MPa (défice moderado) e -1 MPa (défice severo). A cultivar tolerante apresentou retardamento da desidratação foliar com redução da condutância estomática e maior eficiência do uso da água sob estresse hídrico severo, momento no qual observou-se uma inibição bioquímica da fotossíntese semelhante entre genótipos, como pode ser deduzido do aumento da razão Ci/Ca e A/Ci. O menor dano oxidativo no cultivar tolerante pode ser inferido pela presença de menor extravasamento de eletrólitos, mas o teor de MDA foi semelhante entre as duas cultivares nos dois níveis de estresse. Os dados de fluorescência da clorofila a permitem sugerir que a cultivar tolerante pode apresentar mais fotodanos na presença de estresse hídrico, visto que esta possui maior redução do rendimento quântico máximo potencial do FSII (Fv/Fm), maior elevação na fluorescência mínima em folhas adaptadas ao escuro (Fo), e menor coeficiente de extinção não fotoquímico (qN). O fato de não haver diferenças no rendimento quântico da conversão fotoquímica da energia no fotossistema II (ΦII ) indica que o genótipo tolerante compensou o menor Φ NPQ (rendimento quântico de dissipação de energia regulada) com um maior ΦNO (rendimento quântico de perda de energia não regulada do FSII). O maior ΦNO pode ser um mecanismo que contribui para a tolerância à seca, visto que pode ajudar a reduzir a formação de clorofilas e a produção de radicais livres e espécies reativas de oxigênio. Alterações no metabolismo sugerem um papel da osmorregulação no mecanismo de tolerância à seca, visto que a variedade tolerante apresentou maiores níveis de malato e aminoácidos livres sob estresse moderado e maiores níveis de glicose, frutose, malato e aminoácidos sob estresse severo. Foi possível observar um aumento em cerca de 10X nos níveis de ABA foliar em ambos os genótipos sob estresse moderado, mas sob estresse hídrico severo, estes altos níveis são mantidos somente no genótipo tolerante. Os resultados permitiram observar que a maior tolerância à seca observada a campo para a variedade RB 867515 também pode ser observada em pequenos vasos, onde a taxa de imposição do défice hídrico é muito mais rápida do que em condições naturais. Entre os fenótipos de tolerância, concluímos que a composição isotópica seria o método de seleção mais apropriado para selecionar progênies portadoras de tolerância à seca.Item Influência das condições de cultivo in vitro e ex vitro no crescimento e acúmulo de metabólitos secundários em plantas diploides e tetraploides de Pfaffia glomerata (Spreng.) Pedersen(Universidade Federal de Viçosa, 2013-02-01) Notini, Marcela Morato; Otoni, Wagner Campos; http://lattes.cnpq.br/7921303833586523Pfaffia glomerata (Amaranthaceae), conhecida como ginseng brasileiro, é uma importante espécie medicinal nativa do Brasil. O objetivo do presente estudo foi avaliar a influência da ploidia das plantas e das condições de cultivo in vitro e ex vitro no crescimento e produção de metabólitos secundários em P. glomerata. Nesse trabalho foram utilizados explantes diploides e tetraploides induzidos artificialmente por uso de colchicina. Nas condições in vitro foram avaliados os efeitos da poliploidização, da adição de sacarose ao meio de cultura e da concentração atmosférica de CO2 nos parâmetros de crescimento e acúmulo de 20E em P. glomerata. Enquanto nas condições ex vitro analisou- se o crescimento, acúmulo de pigmentos, densidade estomática, teores de 20E e saponinas triterpênicas em função da ploidia da planta, volume de vaso e tratamento com paclobutrazol (PBZ). Todos os parâmetros de crescimento avaliados e o acúmulo de metabólitos secundários foram reprimidos em plantas tetraploides comparadas às diploides em condições de cultivo in vitro e ex vitro. Foram observadas nos indivíduos tetraploides características específicas de poliploidia, como redução da densidade estomática e aumento da relação largura/comprimento foliar. Em condições in vitro, a presença de sacarose no meio de cultura promoveu melhor crescimento, porém inibiu o acúmulo de 20E. Assim, a fotoautotrofia mostra-se mais favorável por apresentar potencial na produção comercial massal de mudas dessa espécie com altos teores de 20E. O enriquecimento de CO2 (1.000 μmol/mol de CO2) também induziu a produção de plantas com maiores biomassa e acúmulo de 20E, favoráveis ao interesse comercial. Após aclimatização, plantas de P. glomerata apresentaram forte indução nos parâmetros de crescimento quando crescidas em vasos de maior volume, enquanto a aplicação de PBZ não interferiu na produção de biomassa e metabólitos secundários. Dessa forma, a utilização de vasos de maior volume é um importante fator na produção em escala comercial de ginseng brasileiro.Item Natural variation in physiological traits in a large panel of brazilian Capsicum chinense acessions(Universidade Federal de Viçosa, 2013-02-27) Souza, Laíse Rosado de; Nesi, Adriano Nunes; http://lattes.cnpq.br/5863685236810324Diversity of accessions within the same specie has been reported as an alternative way to search for physiological and metabolic traits that may have large effects on both growth regulation and biomass production. This work aimed to investigate physiological and metabolic traits as well as its interactions with plant growth and fruit production using 49 genetically diverse brazilian pepper accessions of Capsicum chinense. These different accessions were grown together and genetic variation was observed for many traits. Although the analysis of each variable individually allowed the formation of up to seven distinct groups, as observed for plant height, working with the whole data set by multivariate analyzes allowed the separation of the 49 accessions in only three clusters. Interestingly, the groups formed by this analysis did not follow the geographical origin of the genotypes. The first cluster contains two accessions with lower plant height and relative growth rate (RGR). On the other hand, the same accessions had the highest specific leaf area (SLA), high photosynthesis rates and have the highest nitrate (NO 3 ) content. Genotypes in the second cluster demonstrate opposite behavior for growth parameters and NO 3, however they had an undefined pattern for gas exchange parameters and water use efficiency (WUE), despite having low values of SLA. The third cluster comprised the other accessions with the most diverse results for the investigated characteristics. Altogether, these results reinforce the idea that, although the accessions belong to the same species, they have diverse adaptation mechanisms being a highly interesting source of information for plant breeders. In addition, it was demonstrated that fruit set is positively correlated with photosynthesis. However, photosynthesis does not explain alone the differences in accession susceptibility to fruit abortion. Metabolite analysis revealed that malate and fumarate had different responses in Capsicum. Although fumarate did not individually contribute to the accession group separation, a large number of significant correlations was observed. In summary the results obtained suggest fumarate as an important metabolite that might be involved in the regulation of both shoot and fruit growth and development of C. chinense. Apart from extending our knowledge of biological mechanism and pathways within the Capsicum genus the work presented here highlights the importance of studying genetic variation as a mean to understand how a specie adapts to different local environments.Item Embriogênese somática e calogênese em explantes radiculares de Passiflora morifolia Masters, morfoanatomia, expressão do gene SERK, fitoquímica e análise da atividade antioxidante(Universidade Federal de Viçosa, 2013-03-13) Albino, Bruno Éric Siqueira; Otoni, Wagner Campos; http://lattes.cnpq.br/0969811763922249O objetivo geral do trabalho foi determinar um protocolo de embriogênese somática e de calogênese em raízes de Passiflora morifolia Masters, e realizar análises fitoquímicas em calos e em diferentes órgãos da espécie. Explantes radiculares foram incubados em meio Murashige & Skoog (MS) suplementado com diferentes concentrações de ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D). Avaliaram-se o número de explantes com formação de zonas embriogênicas e de calos, aspectos anatômicos, estruturais e moleculares, assim como, a caracterização fitoquímica de calos, de diferentes órgãos de vitroplantas e de plantas cultivadas em casa de vegetação. O primeiro capítulo teve como objetivos estabelecer um protocolo de indução da embriogênese somática em raízes de P. morifolia, e realizar a caracterização morfoanatômica do processo e de expressão do gene SERK por hibridização in situ. As concentrações de 2,4-D iguais ou superiores a 6,78 μM induziram embriogênese somática. O teste de dupla coloração com carmin acético e azul de Evans confirmou a natureza embriogênica do material. O contínuo desenvolvimento de zonas de proliferação formadas a partir do periciclo e de tecidos vasculares associados promoveu o rompimento do córtex e da epiderme da raiz, culminando na diferenciação de embriões somáticos. Adicionalmente, a hibridização in situ com sonda heteróloga de PcSERK (Passiflora cincinnata SERK), confirmou a embriogênese somática. O segundo capítulo teve como objetivos estabelecer um protocolo de calogênese em explantes radiculares de P. morifolia, e realizar análises fitoquímicas em calos submetidos a tratamentos com luz UV-B, e em diferentes órgãos da espécie cultivada em casa de vegetação e in vitro sob iluminação fornecida por lâmpadas de LED. Por cromatografia em camada delgada foram observadas diferenças fitoquímicas entre plantas e vitroplantas. Flavonoides foram facilmente observados em folhas de plantas em ambas as condições de cultivo, exceto em calos. Por cromatografia líquida de alta eficiência foi identificado isovitexina como o flavonoide presente em maior concentração nas folhas e caules de plantas cultivadas em casa de vegetação. Outros flavonoides foram identificados nos demais órgãos em ambas as condições de cultivo, com exceção dos calos. Diferenças entre a atividade antioxidante de plantas e vitroplantas foram verificadas, ao contrário do observado para os calos submetidos ao tratamento com UV-B, quando comparados com o tratamento controle. O presente estudo demonstrou a versatilidade de raízes de P. morifolia para a calogênese e embriogênese, e a possibilidade de produção de metabólitos secundários em vitroplantas cultivadas sob iluminação de lâmpadas de LED.Item Efeitos do metil jasmonato e ácido salicílico na composição da parede celular, metabolismo secundário e recalcitrância em Brachypodium distachyon(Universidade Federal de Viçosa, 2015-07-17) Napoleão, Thiago Alves; Loureiro, Marcelo Ehlers; http://lattes.cnpq.br/5900439798393036Fontes de energia alternativas e sustentáveis têm recebido enorme atenção devido ao aumento dos preços, da esgotabilidade e dos problemas ambientais associados ao petró- leo, tornando a produção de biocombustíveis de segunda geração um objeto de grande interesse internacional. As gramíneas são as principais fontes destes biocombustíveis, e Brachypodium distachyon foi eleita um modelo para o estudo das gramíneas. Plantas em estágio juvenil foram avaliadas após o tratamento por duas semanas com metil jas- monato (MJ) ou ácido salicílico (AS) (ambos 100 μM). Os dois tratamentos reduziram o alongamento foliar, provavelmente resultante do efeito da inibição da elongação celu- lar e divisão celular associadas com o aumento do ácido ferúlico (FA), ácido p- cumárico (p-CA) e ABA, e com a redução no teor de AIA. A aplicação de MJ e AS também produziu vários efeitos na parede celular das folhas, como o aumento da celu- lose (MJ), xilose, arabinose e galactose (ambos tratamentos), aumento das razões arabi- nose/celulose (AS) e parede celular/massa seca total (MJ), e redução do teor de lignina (AS). Em paralelo a estas mudanças, houve aumento de fenóis solúveis totais, ácido cafeico e naringerina (para ambos tratamentos), e ácido sinápico (AS). Estas alterações não foram explicadas por mudanças na expressão de 12 genes da rota de biossíntese da parede estudados. A aplicação de AS reduziu em 15% a eficiência da sacarificação en- zimática. Este efeito foi fortemente correlacionado negativamente com o aumento de FA, p-CA, e arabinose, mas não se correlacionou com o teor de lignina. Embora o tra- tamento com MJ tenha aumentado os teores de FA e p-CA, este efeito foi contraposto pelo simultâneo aumento da celulose. Os resultados obtidos demonstram a importância do AS e do MJ para a regulação dos componentes e da digestibilidade da parede celu- lar, e a influência dos metabólitos secundários na recalcitrância da parede à sacarificação.Item Functional characterization of the mitochondrial adenine nucleotide transporter (ADNT1) in Arabidopsis thaliana under dark-induced senescence(Universidade Federal de Viçosa, 2013-02-28) Pereira, Paula da Fonseca; Nesi, Adriano Nunes; http://lattes.cnpq.br/6419216674405263Unlike other ADP/ATP carriers, ADNT1 is the only one that mediates an antiport of ATP, AMP, and, to a lesser extent, ADP and the corresponding deoxyadenine nucleotides. Previous work observed that ADNT1 expression is much stronger in root tips and senescing tissues. Considering the high expression of ADNT1 in senescing tissues, we have investigated the role of ADNT1 during the process of dark-induced senescence. Under these conditions, Arabidopsis thaliana mutants deficient in the expression of ADNT1 transporter displayed a similar, yet milder, early onset of senescence as evidenced both by the visual phenotype of plants following growth in extended periods of darkness and the loss of chlorophyll and photosynthetic competence. The extended dark treatment led in general to a more rapidly decline in the mutants than in the wild type in the levels of sucrose and protein. By contrast, the levels of total amino acids and TCA cycle intermediates malate, fumarate and isocitrate generally increased significantly in the mutants at the end of dark treatment. The NADH/NAD + and NADPH/NADP+ ratios also increased in mutants in comparison to the wild type with progression of the darkness. Additionally, the mutant plants exhibited symptoms of early senescence in comparison to the wild type even under optimal conditions. Altogether the data obtained demonstrate that ADNT1 is not functionally redundant to the previously characterized ADP/ATP carriers, especially during carbon starvation and reinforce the potential function for ADNT1 in the provision of energy which is required to support growth in heterotrophic plant tissues.Item Alterações fisiológicas causadas pelo arsênio, genotoxidade e importância do mecanismo mismatch repair no reparo do DNA em Arabidopsis thaliana(Universidade Federal de Viçosa, 2013-04-02) Barbosa, Alice Pita; Loureiro, Marcelo Ehlers; http://lattes.cnpq.br/3328314264518039O arsênio (As) é um elemento não só tóxico, mas também altamente genotóxico aos seres vivos. Muitas lacunas precisam ser preenchidas com relação aos processos causadores de toxidade do As em plantas, bem como os mecanismos de tolerância e sensibilidade a este metalóide. Para isso, plantas de Arabidopsis thaliana (WT, mutantes msh2 e transgênicas repórteres em mutações) e Allium cepa foram expostas a 0, 2, 8 e 16 mg As L -1, durante cinco dias, em sistema hidropônico ou em meio de cultura. As plantas acumularam grandes teores de As nas raízes e apresentaram elevado fator de translocação para a parte aérea, e também alterações no acúmulo de nutrientes. Os sintomas visuais se intensificaram com o aumento da concentração de As na solução nutritiva. As raízes adquiriram coloração escura e aspecto gelatinoso, danificado e aumento no comprimento e densidade dos pêlos; a parte aérea apresentou aumento dos teores de antocianinas e sinais de senescência precoce, bem como alterações na espessura de tecidos. O estresse oxidativo e a redução dos teores de fósforo foram apontados como os principais efeitos do As capazes de causar toxidez, evidenciando os danos indiretos deste elemento no organismo. Foram verificadas importantes alterações fotossintéticas, bem como indícios de danos ao processo de respiração celular devido o aumento da expressão de genes codificantes de oxidases alternativas. Também foram observadas alterações nos teores de açúcares em folhas jovens, maduras e raízes. O As promoveu fragmentação do DNA nos ápices radiculares de A. cepa e aumento das taxas de mutação pontual e de recombinação-não homóloga em A. thaliana. O significativo aumento da expressão dos genes msh2 e msh7, codificadores de enzimas-chave do processo mismatch repair, que realiza o reparo de bases danificadas ou erroneamente inseridas no DNA, sugeriu a importância deste mecanismo no combate à genotoxidade do As em A. thaliana. Isso foi confirmado pela maior sensibilidade observada nas plantas mutantes msh2 ao As, detectada visualmente via aumento da peroxidação de lipídios. Observou-se inibição da atividade da protease caspase-3, associada ao processo de morte celular programada, reforçando a capacidade de inibição da atividade enzimática pelo As.