Unraveling the morphoanatomical, physiological, metabolic, and palynological characteristics in response to polyploidy in Passiflora cincinnata Mast

Abstract

Polyploidy, characterized by whole-genome duplication, is an important mechanism of evolutionary innovation in plants, promoting structural, physiological, and reproductive changes. In addition to its biological role, it is widely exploited in plant breeding and is associated with increased biomass production, stress tolerance, metabolic modifications, and ornamental value. In the genus Passiflora, studies integrating morphoanatomical, physiological, metabolic, and reproductive responses within a multiscale framework remain limited. This thesis investigated, in an integrative approach, the effects of induced polyploidy in Passiflora cincinnata, comparing diploid, triploid, and hexaploid cytotypes. Polyploids were obtained via somatic embryogenesis and treatment with antimitotic agents, with validation by flow cytometry and cytogenetic analyses. Polyploidization promoted marked morphoanatomical changes, such as increased cell size, leaf thickening, vascular expansion, and structural reorganization of vegetative organs, associated with delayed growth and phenological shifts. At the physiological level, adjustments in photosynthetic dynamics and in the integration between anatomical and metabolic traits were observed. Metabolic analysis indicated a reduction in major flavonoids and alterations in hormonal profiles. Polyploidy also affected reproductive traits, with changes in floral morphology, anther structure, and pollen characteristics, including size, ornamentation, and viability. Overall, the results demonstrate that increased genome content triggers a systemic reorganization involving interactions among structure, metabolism, and function. It is concluded that polyploidy in Passiflora cincinnata promotes phenotypic and functional reprogramming, combining structural gains with potential physiological and reproductive trade-offs, contributing to the understanding of genome duplication in tropical species and supporting breeding strategies and evolutionary studies. Keywords: polyploidy; Passiflora cincinnata; plant morphoanatomy; plant physiology; plant metabolism; palynology; genome duplication; phenotypic plasticity.

A poliploidia, caracterizada pela duplicação do genoma completo, é um importante mecanismo de inovação evolutiva em plantas, promovendo alterações estruturais, fisiológicas e reprodutivas. Além de seu papel biológico, é amplamente explorada no melhoramento vegetal, estando associada a maior produção de biomassa, tolerância a estresses, modificações metabólicas e valor ornamental. No gênero Passiflora, ainda são limitados os estudos que integrem respostas morfoanatômicas, fisiológicas, metabólicas e reprodutivas em abordagem multiescalar. Esta tese investigou, de forma integrativa, os efeitos da poliploidia induzida em Passiflora cincinnata, comparando citótipos diploides, triploides e hexaploides. Os poliploides foram obtidos via embriogênese somática e tratamento com agentes antimitóticos, com validação por citometria de fluxo e análises citogenéticas. A poliploidização promoveu alterações morfoanatômicas marcantes, como aumento do tamanho celular, espessamento foliar, expansão vascular e reorganização estrutural de órgãos vegetativos, associadas a atraso no crescimento e mudanças fenológicas. No nível fisiológico, foram observados ajustes na dinâmica fotossintética e na integração entre características anatômicas e metabólicas. A análise metabólica indicou redução de flavonoides majoritários e alterações hormonais. A poliploidia também impactou atributos reprodutivos, com mudanças na morfologia floral, estrutura das anteras e características do pólen, incluindo tamanho, ornamentação e viabilidade. Em conjunto, os resultados demonstram que o aumento do conteúdo genômico desencadeia uma reorganização sistêmica, envolvendo interações entre estrutura, metabolismo e função. Conclui-se que a poliploidia em Passiflora cincinnata promove reprogramação fenotípica e funcional, combinando ganhos estruturais e possíveis trade-offs fisiológicos e reprodutivos, contribuindo para o entendimento da duplicação genômica em espécies tropicais e subsidiando estratégias de melhoramento e estudos evolutivos. Palavras-chave: poliploidia; Passiflora cincinnata; morfoanatomia vegetal; fisiologia vegetal; metabolismo vegetal; palinologia; duplicação genômica; plasticidade fenotípica.