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 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 Manipulation of source-to-sink ratios in girdled coffee branches evidences lack of photosynthetic down-regulation: the interplay of photosynthesis with respiration and photorespiration pathways and amino acid metabolism(Universidade Federal de Viçosa, 2016-02-25) Avila, Rodrigo Teixeira; Matta, Fábio Murilo da; http://lattes.cnpq.br/6404622647636394We aimed to gain a better understanding on how the regulation of photosynthesis in coffee depends on sink activity or carbohydrate build-up in source leaves and how the coffee tree adjusts its photosynthetic performance and primary metabolism to varying source-to-sink ratios. For these purposes, we use integrative approaches combining gas- exchange and chlorophyll a fluorescence measurements, analyses of carbohydrates and major metabolites, activities of a range of enzymes and the expression of some genes encoding for key enzymes of the carbon metabolism to achieve a holistic view of the whole leaf metabolism in response to long-term source-to-sink manipulation. We designed a field experiment by girdling coffee branches that were further manipulated by controlled defoliation and/or defruiting so that three highly varying source-to-sink ratios were created. We found that under remarkably high source-to-sink ratios photosynthesis rates were chiefly limited by diffusive factors (that were apparently unrelated to whole-leaf abscisic acid) with no apparent signs of feedback down- regulation. Lack of down-regulation was associated with an enormous capacity for starch accumulation coupled with maintenance of low levels of soluble sugars. Chronic Chronic photoinhibition and photodamage could be avoided through adjustments in leaf photochemistry, photorespiration and respiration amongst other processes. No major metabolic reprograming was found at the level of key enzymes associated with carbon metabolism. Metabolic adjustments in source leaves were more evident under high-sink demand conditions and centered more on nitrogen metabolism than on carbon metabolism. In conclusion, our results offer novel insights on the high coordination between the source supply and sink demand in coffee trees, with no evident signs of photosynthetic down-regulation even under dramatically low-sink conditions.Item Physiological and biochemical changes on rice plants supplied with glutamate in response to Pyricularia oryzae infection(Universidade Federal de Viçosa, 2018-07-20) Dias, Carla da Silva; Rodrigues, Fabrício Ávila; http://lattes.cnpq.br/0497776503129914Considering the importance of blast, caused by Pyricularia oryzae, to decrease rice yield worldwide, this study aimed to assess the photosynthetic performance (leaf gas exchange and chlorophyll (Chl) a fluorescence as well as the photosynthetic pigments concentration), the activities of antioxidant enzymes (ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), peroxidase (POX), superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GPX), glutathione reductase (GR), glutathione-S-transferase (GST)) and concentrations of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and malondialdehyde (MDA) in leaves of plants non-supplied (-Glu) or supplied (+Glu) with glutamate (Glu). Blast severity and the number of lesions per cm 2 of leaf were significantly lower for +Glu plants in comparison to -Glu plants. On the infected leaves of +Glu plants, the values for internal CO 2 concentration were lower while the values for net carbon assimilation rate, stomatal conductance as well as for the concentrations of Chl a, Chl b, and carotenoids were higher in comparison to infected leaves of -Glu plants. The functionality of the photosynthetic apparatus was preserved on the infected leaves of +Glu plants. The activities of CAT, GPX, GR, POX, and SOD increased on the infected leaves of both -Glu and +Glu plants compared to their non-inoculated counterparts, but their activities were lower for +Glu plants. The lower activities of these antioxidative enzymes was triggered by the reduced hydrogen peroxide concentration on the infected leaves of +Glu plants that resulted in lower malondialdehyde concentration. For inoculated +Glu plants, the activities of β-1-3- glucanase, chitinase, phenylalanine ammonia-lyase, and polyphenoloxidases as well as the concentrations of total soluble phenolics and lignin-thioglycolic acid derivatives were significantly higher for inoculated +Glu plants in comparison to inoculated -Glu ones. Based on the data from the present study, it can be concluded that photosynthesis was less impaired on plants supplied with glutamate and infected by P. oryzae due to the lower biochemical constraints for CO 2 fixation. There was a need for lower activities of reactive oxygen species scavenging enzymes on the infected leaves of plants supplied with glutamate due to the lower oxidative stress as a result of P. oryzae infection. Moreover, blast severity was reduced on Glu supplied plants due to an increase on the activities of defense enzymes and high concentrations of phenolics and lignin.Item Enhanced photosynthetic efficiency in a Solanum pennellii chromosome 2 QTL(Universidade Federal de Viçosa, 2018-07-30) Costa, Jaciara Lana; Nesi, Adriano Nunes; http://lattes.cnpq.br/0658989361665824Photosynthesis, one of the most important physiological processes, may be limited both by variations in diffusive and biochemical properties. Several studies have demonstrated that the genetic variation in these properties possibility to increase rates of carbon assimilation and plant yield. In a previous study utilizing a Solanum pennellii introgression lines (IL) population of 71 lines, the IL 2-5 and 2-6 displayed photosynthetic rates increased by up to 22% in comparison with control plants. However, understanding the genetic and physiological basis of potential mechanisms involved in the enhanced CO 2 assimilation exhibited by these lines is essential for further biotechnological applications. Thus, this study aimed to uncover the physiological factors involved in the up regulation of photosynthesis in the IL 2-5 and IL 2-6. The ILs have increased photosynthetic capacity followed by higher biomass production when compared to M82. Despite the higher photosynthetic capacity, any difference in relation to stomatal and mesophyll conductance was observed. Nevertheless, the maximum carboxylation velocity, maximum electron transport capacity and chloroplastidic CO 2 concentration correlated positively with carbon isotope composition. Further metabolite analysis also revealed that the higher photosynthetic capacity was associated with higher levels of Rubisco as well as of starch. Analysis of Western blot and data from A/C i curve confirmed that biochemical properties are involved in genetic variation on chromosome 2 which has been related to positive effects on photosynthesis and carbon metabolism.Item O papel do silício na redução dos impactos da toxidez de ferro em arroz: uma abordagem morfoanatômica e fisiológica(Universidade Federal de Viçosa, 2017-05-04) Santos, Martielly Santana; Matta, Fábio Murilo da; http://lattes.cnpq.br/9769898875861142A toxidez por excesso de ferro (Fe) é uma das mais importantes desordens nutricionais que afetam processos vitais como respiração e fotossíntese, acarretando reduções no crescimento e na produção de arroz. A nutrição com silício (Si) tem-se revelado como uma alternativa promissora na mitigação de fatores de estresse abióticos, tal como metais tóxicos. Informações preliminares sugerem que o Si pode também mitigar os efeitos da toxidez de Fe em arroz, mas não se conhecem os mecanismos envolvidos nesse contexto. Diante disso, o presente trabalho objetivou determinar o potencial mitigatório do Si sobre a toxidez por Fe em arroz, por meio de caracterização detalhada dos aspectos fotossintéticos, bioquímicos, morfofisiológicos e de produtividade. Para isso, dois experimentos independentes foram montados e analisados como tal (o primeiro com plantas no estádio vegetativo; o segundo, até o fim do estádio reprodutivo) utilizando duas cultivares com respostas contrastantes para excesso de Fe (EPAGRI-109 e BR-IRGA-409, tolerante e sensível a toxidez, respectivamente). As plantas foram cultivadas em solução nutritiva não-aerada e suplementadas com Si (0 e 2 mmol L-1) e Fe (25 μmol L-1 e 5 mmol L-1). No estádio vegetativo, a toxidez por Fe impactou negativamente a taxa fotossintética líquida (A) ao reduzir as condutâncias estomática (gs) e mesofílica (gm), além de aumentar a fotorrespiração em ambas as cultivares. Além disso, alterações na arquitetura radicular e na anatomia foram correlacionados com maiores teores de Fe. Por outro lado, a fertilização com Si atenuou tais efeitos da toxidez ao reduzir o teor de Fe em folhas e raízes, o que se refletiu em menores fatores de translocação e de bioconcentração, particularmente na cultivar sensível. Reduções nos teores de Fe favoreceram aumentoa em A por reduzir as limitações difusionais à fotossíntese, com aumentos correspondentes em gs e gm. Registre-se que os parâmetros fotoquímicos e bioquímicos da fotossíntese, bem como a atividade das s enzimas do metabolismo do carbono, foram minimamente afetados pelos tratamentos com Si/Fe. Saliente-se ainda que alterações nos fatores de translocação e de bioconcentração foram associadas ao decréscimo na expressão dos genes que codificam para os transportadores de Fe (IRT1 e IRT2), bem como a maior retenção do Fe nas paredes celulares da exoderme e endoderme na raiz, e em células parenquimáticas do xilema em folhas. Além disso, a redução da placa de Fe nas cultivares +Si+Fe foi relacionada, aparentemente, ao espessamento da parede celular da faixa esclerenquimática da raiz. Nos experimentos conduzidos na fase reprodutiva, a toxidez por Fe promoveu variações expressivas nos teores de alguns nutrientes, especialmente Ca e Mg nas folhas, fato parcialmente revertido pelo Si, porém com alterações mínimas na composição nutricional dos grãos. A toxidez por Fe acarretou decréscimos em A em paralelo a reduções em gs e na taxa de transporte de elétrons (ETR), em especial na cultivar sensível. Contudo, tais respostas foram revertidas parcialmente em ambas as cultivares pela aplicação de Si. O menor acúmulo de Fe nas plantas +Si foi associado ao maior rendimento de grãos, suportado pelo aumento em A acoplado ao incremento em gs e ETR. Além disso, os resultados sugerem que o Si tenha reduzido o impacto negativo do Fe sobre a esterilidade das espiguetas. Em síntese, recomenda-se o emprego do Si como uma estratégia de manejo efetiva para reduzir os impactos negativos da toxidez por Fe sobre o desempenho fotossintético e a produção de grãos em arroz.Item The molecular functions of auxin signaling in tomato (Solanum lycopersicum L.)(Universidade Federal de Viçosa, 2018-03-02) Silva, Willian Batista; Araújo, Wagner Luis; http://lattes.cnpq.br/7187216024327321The auxin is a phytohormone with intense participation in the growth and development process, as well as in crucial physiological processes to the plant establishment. Although its role in development control is already well established and has been extensively investigated, in our understanding, little or nothing is currently known about the impacts on the manipulation of the signaling levels of this hormone in the metabolic impact, as well as the link between auxin and photosynthetic and respiratory process both in leaves and fruit. In this vain, considering the metabolic importance in plant and the wide regulatory network of this system, in this thesis initially I present a review offering an important comparative complement of post-genomic strategies, such as the profile of the metabolites, providing information on the regulation of the metabolic network and thus allowing a more complete description of the cellular function of the plant. A comparative analysis was made by raising a question, if stable isotope mass spectrometry could replace radiolabelled approaches in metabolic studies? In addition, to better understand the functions of the modulation of auxin perception levels and how it conducts metabolic adjustments in different plant tissues, two experimental approaches were adopted for: (i) Characterize tomato plants with alterations in auxin signaling balance and their modulations in primary metabolism in tomato leaves and (ii) to analyze the role of auxin signaling in the ripening of tomato fruits. Briefly, the results indicate that auxin acts as an integrator of metabolism and adjustment and suggests that altered perceptions of this hormone affect the chloroplastic and mitochondrial metabolism in lighted leaves, suggesting a great participation of this phytohormone in the final productivity determination. Moreover, at the fruit level, auxin seems to control metabolic alterations very little, but controlling important steps in fruit maturation, controlling the metabolism of starch and sugars, providing new perspectives of integration between auxin and respiratory paths.Item Integrative analyses of photosynthesis, plant growth, metabolite levels and enzyme activities in an introgression line population of Solanum pennellii(Universidade Federal de Viçosa, 2016-08-12) Silva, Franklin Magnum de Oliveira; Nesi, Adriano Nunes; http://lattes.cnpq.br/4636590232692168To identify genomic regions involved in the regulation of fundamental physiological processes such as photosynthesis, respiration and underlying traits, a population of 71 Solanum pennellii introgression lines (ILs) in the genetic background of S. lycopersicum (M82) was analyzed. We determined IL phenotypes physiological, metabolic and growth related traits, ranging from gas- exchange parameters (e.g. CO 2 assimilation rates and stomatal conductance), chlorophyll fluorescence parameters (e.g. electron transport rate and photochemical quenching) as well as growth related traits (e.g. relative growth rate, shoot and root dry matter accumulation). In parallel, we also analyzed by robotized platform the major metabolic intermediates (e.g. sugars and starch), and the activities of nine representative enzymes from central C and N metabolism. We aimed: (1) combine information about enzyme activities and metabolite levels from stem, petiole and leaf with biomass and fruit yield; (2) by studying these three interconnected organs, examine how much connectivity exists between enzyme activities and metabolite levels; (3) provide predictive information about differences in C partitioning and inorganic N assimilation; (4) investigate the natural genetic diversity and identify QTL controlling variation of enzyme activities and metabolite levels in stem, petiole and leaf. Data analyses allowed identification of 67 physiological and metabolic QTL. Additionally, a comprehensive and detailed annotation of these regions allowed to point out a total of 87 candidate genes that might control the investigated traits. Out of those, 70 genes showed allelic variants related to differentially transposable element insertions pattern between both parental genotypes. Furthermore, the results revealed high frequency of positive correlations between enzyme activities, moderate frequency of correlations between related metabolites, and few correlations between enzyme activities and metabolite levels. Taken together, we present the largest study of photosynthetic and growth parameters in tomato plants to date. Our results allowed the identification of candidate genes that might be involved in the regulation of photosynthesis, primary metabolismo and plant growth, and provide an valuable genetic resource to understanding of the biochemical mechanisms involved in the regulation of primary metabolism in tomato plants.Item Implicações fisiológicas e metabólicas da perda funcional do canal de ácidos orgânicos AtALMT12 em Arabidopsis thaliana(Universidade Federal de Viçosa, 2013-07-26) Medeiros, David Barbosa; Araújo, Wagner Luís; http://lattes.cnpq.br/2874097229492489Várias rotas metabólicas permitem o acúmulo de solutos necessários para o controle da abertura e fechamento estomático. Assim, os movimentos do poro estomático são regulados por alterações no potencial osmótico das células-guarda e essas alterações são alcançadas principalmente pelo transporte de íons (e.g. potássio, malato e cloreto) através de membranas celulares. Apesar do entendimento sobre os fluxos de potássio e cloreto através da membrana plasmática de células-guarda ser amplamente reconhecido, pouco se sabe acerca do papel do metabolismo de ácidos orgânicos (e.g. malato e fumarato) no controle dos movimentos estomáticos. Neste estudo, portanto, investigou-se a função do AtALMT12, um membro da família de transportadores de malato ativados por alumínio (ALMT) localizado na membrana plasmática de células-guarda. Foram utilizadas duas linhas mutantes de Arabidopsis thaliana (almt12-1 e almt12-2) e seus correspondentes tipos selvagens. Plantas almt12 foram caracterizadas por apresentarem prejuízos na cinética de fechamento estomático induzida tanto por escuro como por alta concentração de CO 2 . Aumentos em parâmetros de crescimento (e.g. área foliar e taxa de crescimento relativo) foram observados em plantas almt12 sem alterações na densidade estomática. Maiores taxas fotossintéticas (A N ) com incrementos correspondentes na condutância estomática e mesofílica, assim como na velocidade máxima de carboxilação e na taxa de transporte de elétrons, indicam uma maquinaria fotossintética aparentemente mais ativa em plantas almt12. As diferenças em A N não foram associadas a limitações fotoquímicas nem bioquímicas da fotossíntese, sendo governadas, fundamentalmente por maiores disponibilidades internas de CO 2 . Observou-se, também, uma alta correlação entre a degradação do amido, utilização de malato e fumarato como fonte de C para a respiração, sustentando maiores taxas de crescimento sem, contudo, alterar os níveis de aminoácidos, proteínas e pigmentos fotossintéticos. Sugere-se, portanto, que as alterações no metabolismo do C são, em larga extensão, associadas a aumentos em A N , sem alterar, no entanto, a atividade catalítica máxima de enzimas- chave envolvidas no metabolismo fotossintético e respiratório. Concomitante, estes resultados demonstram que, ao menos sob condições ótimas de crescimento, a regulação ineficiente do fechamento dos estômatos em plantas almt12 está largamente associada à maior capacidade fotossintética dessas plantas promovendo alterações no metabolismo primário, particularmente do C, refletindo em aumentos na taxa de crescimento.Item Crescimento, trocas gasosas e atividade do sistema GS/GOGAT em alfafa nodulada sob tratamento com fósforo(Universidade Federal de Viçosa, 2001-03-07) Zanella, Fábio; Borges, Arnaldo Chaer; http://lattes.cnpq.br/2584954685927927Os teores de fosfato inorgânico em folhas e raízes aumentaram de forma linear em plantas de alfafa cv. Flórida 77 no estádio R8, correspondente a plantas com um a três nós com vagens verdes, quando em cultivo em solução nutritiva contendo fósforo nas concentrações 0,02, 0,10, 0,20 e 1,00 mol m^-3. A menor concentração o fósforo restringiu a expansão de área foliar e a massa seca da parte aérea e dos nódulos e resultou em uma relação entre massa seca das raízes e da parte aérea maior. O nível de suficiência de fósforo para as plantas, considerando-se os parâmetros de crescimento, foi de 0,20 mol m^-3. Os teores de amido em folhas e raízes não foram significativamente alterados pela baixa disponibilidade de fósforo (0,02 mol P m^-3). A essa concentração, a taxa de assimilação líquida do CO2 foi menor do que nas plantas dos demais tratamentos; comportamento similar teve a eficiência fotoquímica do fotossistema II, avaliada pela razão Fv/Fm e Fv/F0. Conseqüentemente, o efeito do fósforo na redução da atividade fotossintética pareceu mais relacionado com a etapa fotoquímica da fotossíntese. Para as variáveis de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a, em plantas no estádio R8, a suficiência de fósforo foi atingida com 0,10 mol P m^-3. As plantas que cresceram sob 0,02 mol P m^-3 apresentaram um decréscimo nas atividades totais de sintetase da glutamina (GS) e de sintase do glutamato - dependente de NADH-GOGAT (NADH-GOGAT), tanto nas folhas como nos nódulos. Os resultados indicam que a GS respondeu mais do que a NADH- GOGAT aos aumentos nas concentrações de fósforo, mostrando-se a atividade das duas enzimas maior nos nódulos. A atividade do sistema GS/GOGAT em plantas de alfafa no estádio R8 foi mais pronunciada sob a concentração de 0,20 mol P m^-3, embora a suficiência de fósforo tenha sido alcançada na concentração de 0,10 mol P m^-3.