As paredes celulares vegetais são estruturas essenciais para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Além das suas diversas funções biológicas, os componentes polissacarídicos constituintes das paredes celulares (celulose, hemiceluloses e pectinas) são de vital importância como fonte natural de fibras para a nutrição humana e animal e são considerados os principais recursos renováveis do planeta, utilizados como matéria-prima para diversos processos industriais, por exemplo nos processos de produção de polpa celulósica. Todos esses fatores têm despertado grande interesse no estudo da composição e biossíntese das paredes celulares. A biossíntese dos seus polímeros se inicia no citoplasma das células, onde ocorre a formação dos precursores por uma rota metabólica complexa de biossíntese de açúcares-nucleotídeo. O entendimento da regulação dessa rota metabólica é fundamental para modular a dinâmica de biossíntese desses açúcares e assim tentar manipular as propriedades bioquímicas das paredes celulares. Nesse contexto, o presente projeto de pesquisa teve como objetivo avaliar o efeito da superexpressão do gene miox2 de Arabidopsis thaliana em plantas de Nicotiana tabacum. O produto desse gene é a enzima mio-inositol oxigenase (E.C. 1.13.99.1), cuja função é converter o mio-inositol em ácido D-glucurônico, composto central da rota de biossíntese de açúcares-nucleotídeo. Foram determinadas quatro isoformas tecido-específicas para o gene miox (miox1, miox2, miox4 e miox5) em Arabidopsis, sendo que a isoforma miox2 é a predominante em caules. Esse gene foi clonado em trabalhos anteriores realizados no laboratório e no presente trabalho, o cDNA do gene miox2 foi superexpresso em plantas de tabaco (Nicotiana tabacum) a fim de se avaliar o efeito da superexpressão na composição de carboidratos de parede celular secundária. As linhagens de plantas transgênicas obtidas, não mostraram diferenças visualmente perceptíveis em comparação aos controles, indicando ausência de alterações fisiológicas e morfológicas. Foram quantificados os monossacarídeos de paredes celulares secundárias (arabinose, ramnose, galactose, glicose, xilose, manose), os ácidos urônicos (ácido galacturônico e glucurônico) e as ligninas (solúvel e insolúvel), a partir de tecido xilemático e parênquima medular do caule. A ausência de modificações significativas nas proporções desses metabólitos, indica que as plantas exercem um estrito controle na regulação da biossíntese de paredes celulares secundárias de forma que a superexpressão do gene miox2 não provocou nenhuma alteração altamente significativa. Outros genes candidatos e os mecanismos envolvidos na sua regulação deverão ser testados quanto ao nível de transcrição, modificações pós-trancricionais e pós-traducionais a fim de entender a regulação do fluxo de carbono para a biossíntese de paredes celulares. / Cell-walls are essential structures for plant development and growth. Apart from its biological functions, the polyssacharides that make cell-walls (cellulose, hemicellulose and pectins) are the principal natural fibrous materials used for human and animal nutrition. They are also considered the most important renewable resource on earth and their use as industrial raw material is inevitable. An example is the use of wood in the production of pulp and paper. For all these reasons, the study of molecular composition and biosynthesis of plant cell-walls has been a matter of great interest for researchers over the past few years. Cell-wall polyssacharides biosynthesis begins at the cytoplasm, where a pool of UDP-glucose and other activated sugar nucleotide precursors are generated by multiple and complex interconvertion reactions. Understanding how cells control the metabolic pathways responsible for sugar nucleotide precursors synthesis, would be a primary requirement for manipulating them in an attempt to generate plants with improved properties for human use. In that context, tha aim of this research work was to analyze the effects of Arabidopsis thaliana miox2 gene overexpression in a plant model system (Nicotiana tabacum). The product of miox2 gene is myo-inositol oxygenase enzyme 2 (E.C.1.13.99.1) which converts D-glucuronic acid, an important sugar nucleotide precursor, from its substrate myo-inositol. Four isoforms of miox gene, with apparent tissue specific expression (miox1, miox2, miox4 and miox5) were already determined, but miox2 is the one primarily expressed in stems. Its cDNA was cloned from Arabidopsis thaliana in previous works and overexpressed in tobacco plants. Five normal transgenic lines were obtained, showing no phenotypically differences relative to the control line. This fact implied that miox2 overexpression did not alter any physiological nor morphological aspect of plant development. The cell-wall monossacharides (arabinose, rhamnose, galactose, glucose, xylose and mannose), uronic acids (galacturonic and glucuronic acid) and lignins (soluble and insoluble) from stem xylem and parenchymal tissue were quantified. The absence of major changes in any of the compounds measured for the transgenic lines indicated that they were able to adjust their level of carbohydrate composition. Plants seem to regulate the proportions of sugar nucleotide precursors through highly complex metabolic pathways that establish strong compensatory mechanisms. It will be necessary to study other candidate genes and some aspects of their regulation at transcriptional, postranscriptional and postransaltional level, as an attempt to understand the cell-wall carbohydrate flux.

A cana-de-açúcar é uma importante cultura na economia brasileira, tanto pela produção de açúcar como pela produção de biocombustíveis, contabilizando mais de US$ 20 bilhões por ano, colocando o Brasil como o país produtor mais importante deste mercado. Por outro lado, a cana-de-açúcar atingiu o limite na produção de sacarose, um efeito da exploração da estreita base de genes utilizados nos cruzamentos dos programas de melhoramento convencional. O objetivo do trabalho foi avaliar a dinâmica da acumulação de sacarose nos colmos da cana-de-açúcar, através da investigação da expressão gênica nos parênquimas de estocagem dos colmos das plantas de cana-deaçúcar durante o desenvolvimento, utilizando técnicas de transcritômica e proteômica. A variedade SP80-3280 foi cultivada em condições de casa de vegetação e os internós de 4-a-9 foram coletados aos 4, 7 e 10 meses de idade. Com o intuito de aumentar o conteúdo de sacarose, as plantas de 10 meses de idade foram submetidas a um período de estresse hídrico antes da coleta. Para todos os internós foram avaliados o conteúdo de açúcares solúveis e os internós 5 e 9 foram usados para análises do transcritoma e proteoma. Os perfis de expressão dos genes envolvidos no ciclo da sacarose para 4, 7 e 10 meses de idade foram estudados utilizando-se qPCR. A técnica da proteômica de 2D-PAGE foi utilizada para a comparação do perfil de expressão das proteínas entre os internós maduros, nas idades de 7 e 10 meses, e os spots selecionados foram identificados por LC-ESI-Q-TOF-MS/MS. O total de açúcares solúveis no parênquima de estocagem aumentou cerca de 2,5 vezes quando comparamos os internós maduros do colmo das plantas de 7 e 10 meses de idade. Este aumento pode ser explicado pela mudança da expressão dos genes envolvidos no metabolismo da sacarose. Sinais endógenos e exógenos à planta são responsáveis por dispararem o mecanismo de síntese da sacarose, o qual é frequentemente regulado pelas enzimas. Nós identificamos 81 proteínas de 7 e 10 meses, as quais incluem proteínas diferencialmente expressas e preferencialmente expressas. Os dados gerados pelo perfil de expressão gênica e análise do proteoma foram comparados no sentido de entender o mecanismo molecular envolvido no processo de acúmulo de sacarose. / Sugarcane is a important crop in the Brazilian economy for both, sugar and green biofuel production, accounting for more than US$ 20 billions/year, placing Brazil as the most important country in this trade. On the other hand sugarcane has reached a limit in sucrose production, an effect of the narrow gene pool used in current commercial breeding programs. Our objective was to assess the dynamics of sucrose accumulation in sugarcane stalks, by investigating the gene expression in the storage parenchyma of sugarcane plants during development, using transcriptomic and proteomic approches. Sugarcane variety (SP80-3280) was cultivated under greenhouse conditions and internodes 4-to-9 were harvested at 4, 7 and 10 months. In order to increase the sugar content, 10 month old plants were subjected to a period of water stress before sampling. All internodes were analyzed to evaluate the soluble sugars content, the internodes 5 and 9 were used in transcriptomic, and 9 was used in proteomic analyses. Expression profiles of genes involved in sucrose cycling from the 4, 7 and 10 month old plants were studied using qRT-PCR. Proteomic approaches (2D-PAGE) were done by comparing protein expression profiles between mature internode in 7 and 10 month, and the selected spots were identified by LC-ESI-Q-TOF-MS/MS. Total soluble sugars in the storage parenchyma increased around 2,5-fold when 7 and 10 month old internodes were compared. This rise could be explained by a change in the expression of genes involved in sucrose metabolism. Endogenous and exogenous signals trigger the mechanism of sucrose synthesis which is often regulated by enzymes and signaling sugars. We identified 81 proteins from the 7 and 10 month old which included differentially expressed and exclusive spots. The data from the gene expression and proteome analyses are compared in order to understand the molecular mechanisms involved in sucrose storage.

Plantas de café Arábicas com 4,5 anos de idade foram comparadas de agosto a dezembro crescendo a pleno sol e sob condições de sombreamento natural. As plantas apresentaram diferenças significativas em termos de crescimento e aspectos fisiológicos e bioquímicos O fornecimento de nitrogênio no mês de outubro proporcionou um aumento significativo nos teores de aminoácidos totais e na atividade da redutase do nitrato. As folhas de plantas crescendo em condições de sombreamento natural apresentaram maior peso fresco a que pleno sol. O teor de proteínas totais decresceu abruptamente a partir do mês 10 em todas as plantas analisadas, época em coincidiu com o inicio do enchimento dos grãos. O aumento nos teores de aminoácidos totais também foi acompanhado por um aumento nos dias de chuva, na precipitação e também na radiação global. Não houve efeito significativo com relação á localização da folhas (parte superior x parte inferior) nos aspectos analisados. O fornecimento de nitrogênio no mês 10 não alterou a concentração de clorofila medida pelo clorofilômetro SPAD, e a clorofila total extraída não se alterou significativamente até o mês 11 exceto nas plantas de sol as folhas do parte superior tiveram uma maior síntese no mês 9. No mês 12 houve um aumento nas taxas de clorofila em todos os tratamentos. Os teores de N foliar tiveram correlação positiva com as leituras de clorofila analisadas pelo SPAD, ate o mês 11. Tivemos também no período de analise, um aumento significativo na concentração de carotenóides a partir do mês 8, evidenciando seu efeito foto protetor uma vez que houve também um aumento na radiação global no período ao redor de 50%. As folhas em condições de sombreamento natural apresentaram maior peso seco que as de pleno sol. O teor de proteínas totais decresceu abruptamente a partir do mês 11 em todas as plantas, época que coincidiu com o início da produção/enchimento dos grãos. Houve um aumento nos teores de amido após o mês 10 (exceto nas folhas da parte inferior das plantas de sol), vindo a diminuir em função do enchimento dos grãos. Também se observou uma síntese acentuada de açúcares redutores no início, decrescendo em função do início da formação dos grãos. Com relação aos nutrientes nas folhas analisadas, o manganês teve um comportamento significativamente diferente em relação aos demais, onde nas folhas a pleno sol a concentração do elemento foi de 6 a 8 vezes á das folhas sombreadas. / Plants of Arabian coffee with 4,5 years of age, had been compared from August to December growing under full sun and under natural shade conditions. The plants presented significant differences in growth terms and physiological and biochemical's aspects. The nitrogen supply in the October month provided a significant increase on levels of amino acid totals and the activity of nitrate redutase. The leaves of plants growing under natural shade presented greater fresh weight than full sun. The total protein levels abruptly decreased from the month 10 in all analyzed plants, time in coincidence with the beginning of filling up the grains. The increase on levels of total amino acids also was followed by an increase in the days of rain, the precipitation and also the global radiation. Didn't have significant effect with relation of localization of leaves (upper part X inferior part) within analyzed aspects. The nitrogen supply in month 10 did not modify the concentration of chlorophyll measured by chlorophyll meter SPAD, and chlorophyll total extracted did not change significantly until month 11 except in the sunny plants leaves of upper part that had a bigger synthesis in month 9. In month 12 had an increase on the levels of chlorophyll in all the treatments. The levels of foliar N had had positive correlation with the readings of chlorophyll analyzed by the SPAD, until month 11. We had also in the period of analyzes, a significant increase on the concentration of carotenoids from month 8, evidencing its photo protective effect. During this time also we had an increase in the global radiation in the period around 50%. The leaves in conditions of natural shade had presented greater dry weight that of full sun. The total protein levels abruptly decreased from the month 11 in all plants, time coincident with the beginning of the production/filling up of the grains. The Month 10 also had an increase in starch levels (except in leaves of third inferior of the sunny plants), decreasing in function of the filling up of the grains. Also an increased synthesis of reducing sugars was observed at the beginning and a decrease during the beginning of the formation of the grains. With regard to the nutrients in analyzed leaves, the manganese had a behavior significantly different in relation to others, where in leaves at the full sun the concentration of the element was 6 to 8 times higher than shaded leaves.

O Eucalyptus é o gênero mais importante para a indústria brasileira de papel e celulose. Eucalyptus grandis Hill ex. Maiden e seus híbridos são preferencialmente usados pela indústria devido ao rápido crescimento e alta produtividade volumétrica. Embora possua características adequadas à utilização comercial, vários estresses abióticos e bióticos influenciam sua produção. O IPGRI (International Plant Genetic Resources Institute) destaca a Puccinia psidii como sendo a maior ameaça para a cultura nos tempos atuais. A doença não co-evoluiu com o hospedeiro e por essa razão, torna o patógeno um elemento potencial a vencer as barreiras impostas pelo hospedeiro. O fungo ataca plantas jovens, incluindo mudas em viveiros, plantas em jardins clonais e plantações comercias com até 2 anos de idade. Com o objetivo de identificar proteínas diferencialmente expressas e avaliar as mudanças ocorridas na composição química da parede celular das folhas, o presente trabalho analisou o impacto da presença do fungo sobre os clones comerciais, resistentes (7) e suscetíveis (24), de eucalipto. Os clones de E. grandis, 7 e 24, previamente inoculados com uredósporos de P. psidii, foram utilizados para extração de proteínas após 24 horas de interação com o fungo. As análises foram realizadas com auxílio de SDS-PAGE de primeira e segunda dimensão, em gradiente de pH na faixa de 4-7, utilizando-se 750 µg de proteínas. As imagens dos géis, em triplicata, analisadas pelo programa (Image Master Elite v. 3.01), possibilitaram a identificação de 466 spots. A comparação entre os perfis eletroforéticos dos clones que foram analisados e os controles não inoculados, mostrou que o processo de infecção do fungo nas plantas induziu o aparecimento de 72 spots exclusivos para o clone 7 além de alterações do volume de outros 115 spots. Já para o clone 24, a exposição ao fungo promoveu o aparecimento de 22 spots exclusivos e alterações de outros 98. Os perfis eletroforéticos dos clones controle, que não foram expostos ao fungo, mostraram diferenças genéticas entre os clones 7 e 24. O clone resistente, apresentou grande concentração de spots na região entre 14 a 45 kDa. Já para o clone suscetível, os spots se concentraram na região entre 25 a 97 kDa. A avaliação do conteúdo de carboidratos e ácidos urônicos da parede celular mostrou alterações no conteúdo dos açúcares no material inoculado com P. psidii, após 24 horas, 6 e 12 dias de inoculação. Os teores de glicose observados para os clones 7 e 24, já após 24 horas da inoculação, mostraram-se bastante alterados, indicando que esse açúcar possui papel chave no processo de formação da parede celular e conseqüentemente no mecanismo de defesa vegetal. / Eucalyptus is the most important genus for the Brazilian pulp and paper industry. Eucalyptus grandis Hill ex. Maiden and hybrids are preferentially used by the industry due to its rapid growth and high volumetric productivity. Although they possess characteristics adequate for commercial use, various biotic and abiotic stresses influence production. IPGRI (International Plant Genetic Resources Institute) highlight Puccinia psidii as the largest current threat to the culture. The disease did not co-evolve with the host and for this reason has become the pathogen with most potential to overcome the barriers imposed by the host. The fungus attacks young plants, including saplings in nursery, clonal gardens and commercial plants up to 2 years-old. With the objectives of identifying the proteins differentially expressed and evaluate the changes occurring in the chemical composition of the cell walls in the leaves, the present work analyzed the impact of the presence of the fungus on the commercial eucalyptus clones, resistant (7) and susceptible (24). The E. grandis clones (7 and 24) were inoculated with P. psidii urideospores and proteins extracted after 24 hours interaction with the fungus. The analyses were carried out using a pH gradient (4-7) in the first and SDS-PAGE in the second dimension, loading 750 µg onto the gel. The gel images, in triplicate, were analyzed using the software Image Master Elite v. 3.01, allowing the identification of 466 spots. The electrophoretic profiles for each clone were analyzed and compared to the uninoculated controls, showing that the fungal infection process induced the appearance of 72 exclusive spots in clone 7 and an alteration in the volume of another 115 spots. In clone 24, exposure to the fungus induced the appearance of 22 exclusive spots and altered another 98. The electrophoretic profiles of the control clone, not exposed to the fungus, demonstrated genetic differences between the 7 and 24. The resistant clone (7) presented a large concentration of spots around 14 to 45 kDa. In contrast, the susceptible clone (24) presented a concentration of spots around 25 to 97 kDa. Evaluation of the carbohydrate and uronic acid content of the cell wall showed an alteration in the sugar content in the material exposed to P. psidii after 24 hour, 6 and 12 days after inoculation. The glucose levels observed for clones 7 and 24 were considerable altered 24 hours after inoculation, indicating that this sugar has a key role in cell wall formation and consequently in the plant defense mechanism.

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O conhecimento do total de compostos presentes nas pimentas pode ser obtido através da estratégia de análise metabolômica. Assim, objetivou-se caracterizar o perfil metabólico de 61 acessos de pimentas do BAG de Capsicum da Embrapa Clima Temperado das espécies C. baccatum, C. annuum, C. chinense e C. frutescens por Cromatografia Gasosa e Espectrometria de Massas em dois extratos (fração polar A e B). Foi observada grande diversidade de compostos como aminoácidos, açúcares simples, ácidos orgânicos, capsaicinoides, esteróis e ésteres. Os teores de aminoácidos variaram entre 3,7 e 13,4mg.g -¹ de massa seca (ms) sendo que a L-asparagina predominou em 75% dos acessos. Os teores de açúcares totais variaram entre 45,0 e 189,8mg.g -¹ ms, sendo o mais abundante a frutose, representando em média 59%. Na maioria dos acessos avaliados houve predominância do ácido cítrico em concentrações de até 11,3mg.g -¹ ms. O total de ácidos orgânicos foi quantificado entre 2,4 e 15,2mg.g -¹ ms. A capsaicina representou 59% do total de capsaicinoides avaliados enquanto a dihidrocapsaicina representou 30%. Não foram identificados capsaicinoides para os acessos P27 e P179 (C. baccatum), P135 (C. chinense) e P46 (C. annuum). Hidrocarbonetos e ésteres apresentaram teores entre 0,2–14,6mg.g -¹ ms e 0,5–57,9mg.g -¹ ms, respectivamente. A análise de componentes principais (PCA) da fração polar A, não evidenciou a formação de clusters por espécies. Separaram-se do grupo (outliers) os acessos P116 (C. chinense), P46 e P76 (C. annuum), principalmente em função da maior concentração de sacarose e frutose presentes nestes acessos. A PCA da fração polar B, indicou separação dos acessos P221 (C. annuum) e P200 (C. chinense), em função do elevado teor de dihidrocapsaicina nestes acessos. A caracterização do perfil metabólico por CG-EM permitiu a identificação e quantificação simultânea de 90 compostos. Estes resultados ampliam e complementam a base de dados metabólica do BAG de Capsicum spp.. / The genus Capsicum belongs to the Solanaceae family and comprises more than 30 species, their fruits are popularly known as pepper and were used by native people as spices, food preservatives, and medicines. With the purpose of studying and conserving the biodiversity of species of Capsicum, Embrapa Clima Temperado (Pelotas, RS) maintains an Active Germplasm Bank (AGB), which requires agronomic, morphological, genetic, metabolic, and technological potential characterizations, thus enabling the knowledge of the individuals, supporting the selection for different applications. The knowledge of the total of compounds present in peppers can be obtained by metabolomic analysis strategy. Therefore the objective was to characterize the metabolic profile of 61 accessions of peppers from Embrapa Clima temperado Capsicum AGB including C. baccatum, C. annuum, C. chinense, and C. frutescens by Gas Chromatography and Mass Spectrometry in two extracts (polar fraction A and B). It was observed wide variety of compounds such as amino acids, simple sugars, organic acids, capsaicinoids, steroids, and esters. The amino acid content varied between 3.7 and 13.4mg g -¹ dry weight (dw) and Lasparagine predominated in 75% of the accessions. Total sugar content ranged between 45.0 and 189.8mg g -¹ dw, the most abundant was fructose representing on average 59%. In most accessions citric acid predominated reaching concentrations of up to 11.3mg g -¹ dw. Total organic acid content was quantified between 2.4 and 15.2mg g -¹ . Capsaicin represented 59% of total capsaicinoids evaluated while dihydrocapsaicin represented 30%. Capsaicinoids were not identified for accessions P27 and P179 (C. baccatum), P135 (C. chinense) and P46 (C. annuum). Hydrocarbons and esters were present in concentrations between 0.2–14.6mg g -¹ dw and 0.5–57.9mg g -¹ dw respectively. Principal component analysis (PCA) of polar fraction A did not show the formation of clusters by species. Separated from the main group (outliers) were P116 (C. chinense), P46 and P76 (C. annuum), mainly due to the higher concentration of sucrose and fructose present in these access ions. PCA of polar fraction B, indicated the separation of P221 (C. annuum) and P200 (C. chinense), due to the high content dihydrocapsaicin of these accessions. The characterization of the metabolic profile by GC-MS allowed simultaneous identification and quantification of compounds 90. These results extend and complement the metabolic database of the AGB of Capsicum spp..

Abstract Decreasing oil reserves, the need to reduce CO2 emissions and increasing energy demand are issues that are forcing scientists to search for new opportunities in the field of energy. As a result, biofuels have been considered as one possible solution to solve part of these challenges. This research is one small part of that effort. For both human and economic reasons the use of edible raw materials for biofuel production is not sustainable. This study aims to convert forest industry waste, namely fibre sludge, into reducing sugars (glucose). This platform chemical can then be converted to value-added products, biofuels such as ethanol or butanol for example. Depolymerisation of fibre sludge (cellulose) to glucose monomers was performed firstly by pretreatment with ionic liquids [BMIM]Cl and [AMIM]Cl and secondly hydrolysed by acids (dilute maleic and sulphuric acids) and enzymes. To go further with the research the two pretreatment steps, dissolution and hydrolysis were combined into a one-step reaction by using a task-specific ionic liquid [SBMIM]Cl. With the ionic liquid [AMIM]Cl used for pretreatment in this study, we were able to recover 85% of sugars relative to the initial dry mass of the fibre sludge. Corresponding yield was about 30% without pretreatment. The task-specific ionic liquid [SBMIM]Cl was able to dissolve and hydrolyse fibre sludge in a one-step reaction. This ionic liquid was also able to dissolve wet fibre sludge with a moisture content of up to 50%. Enzymatic hydrolysis of [AMIM]Cl pretreated fibre sludge showed also very promising yields of reducing sugars. / Tiivistelmä Biotaloudessa keskeisiä globaaleja haasteita ovat kasvava energiantarve, vähenevät fossiiliset öljyvarannot sekä tarve vähentää energiantuotannon ja liikenteen hiilidioksidipäästöjä, mikä on lisännyt viime vuosina aktiivisuutta biopolttoainetutkimuksen saralla. Biopolttoaineet voidaankin nähdä eräänä mahdollisuutena lisätä uusiutuvien luonnonvarojen käyttöä sekä siten edistää vähähiilistä taloutta. Uusien kestävän kehityksen periaatteita noudattavien energiantuotantomenetelmien kehittämisessä on suosittava biomassoja, jotka eivät kilpaile ruoantuotannon kanssa samoista raaka-aineista. Tässä suhteessa erityisen keskeisessä asemassa ovat mm. teollisuuden sivutuotteet, joita myös tässä työssä on tutkittu. Väitöskirjatutkimuksessa biomassaraaka-aineena on käytetty selluteollisuuden sivutuotteita, erityisesti kuitulietettä. Kuitulietteessä on korkea selluloosa- ja hemiselluloosapitoisuus, minkä vuoksi se soveltuisi ns. platform-kemikaalien valmistuksen raaka-aineeksi ja edelleen arvokkaiden kemikaalien ja polttoaineiden valmistukseen. Tutkimuksessa tavoitteena on ollut kuitulietteen sisältämien polymeerien liuottaminen ja hydrolyysi pelkistyneiksi sokereiksi, erityisesti glukoosiksi, mahdollisimman korkealla saannolla. Kuitulietteen, kuten yleensäkin selluloosan, haasteena on sen niukkaliukoisuus perinteisiin liuottimiin. Tämän vuoksi kuitulietettä esikäsiteltiin ionisissa liuottimissa ([BMIM]Cl ja [AMIM]Cl), jotta depolymerisaatio glukoosimonomeereiksi olisi mahdollinen korkealla saannolla. Esikäsittelyn jälkeen hydrolyysi tehtiin joko laimealla hapolla tai entsymaattisesti. Esikäsittelyä tutkittiin myös ns. spesifisessä ionisessa liuottimessa ([SBMIM]Cl), jossa kuitulietteen liukeneminen ja hydrolyysi tapahtuivat yhdessä vaiheessa. Esikäsittely [AMIM]Cl:ssa mahdollisti sen, että alkuperäisen kuivan kuitulietteen sokereista saatiin talteen 85 % entsymaattisen hydrolyysin jälkeen. Ilman esikäsittelyä vastaava saanto oli noin 30 %. Ionineste, [SBMIM]Cl, onnistui liuottamaan ja hydrolysoimaan kuitulietteen yhdessä vaiheessa, tosin sokerisaannot jäivät alhaisiksi. Märkä kuituliete, jonka kosteuspitoisuus oli 50 %, liukeni myös tähän ioninesteeseen.

Abstract Biomass conversion methods represent bioeconomic solutions for the sustainable production of value added commodities (chemicals and materials) as well as for energy purposes, either in solid (pellets), liquid (transport fuels) or gaseous (combustion gases e.g. biomethane) form. Lignocellulosic biomass as a renewable source available in immense quantity, is considered to be one of the most promising natural sources, with high potential in the replacement of conventional transportation fuels and reduction of greenhouse gas emissions. This thesis provides new insights into mechanocatalysis, which as yet is a novel technique in catalytic biomass conversion. The mechanocatalytic approach combines chemical catalysis and mechanical assisted processing driven by ball milling. Lignocellulosic barley straw was impregnated or merely mixed with the catalyst (formic acid, acetic acid, sulfuric acid, oxalic acid dihydrate and potassium pyrosulfate) and ball milled under various conditions yielding the selective depolymerization of lignocellulose into water-soluble xylo-oligosaccharides. Subsequent hydrolysis at moderate temperatures resulted in the formation of valuable reducing sugars, mainly xylose, galactose, arabinose and glucose, which constitute the basic materials for transportation fuel and chemical production. Reducing sugar release of 53.4 wt% with low by-product formation was observed within short milling durations using sulfuric acid as a catalyst in mechanocatalysis. Likewise, oxalic acid dihydrate and potassium pyrosulfate as a novel catalyst, successfully converted barley straw to reducing sugars (42.4 wt% and 39.7 wt%, respectively), however longer milling durations were required. In comparison, lower saccharification (<10 wt%) was obtained by employing formic acid and acetic acid in mechanocatalysis. Harsh milling conditions initiated a temperature increase within the reaction vessel resulting in enhanced sugar release. Likewise, greater sugar release was observed with increased catalyst amount and acidity. The results revealed that the balance of these factors is crucial for efficient catalytic conversion of barley straw. / Tiivistelmä Biomassan konvertointimenetelmät mahdollistavat biotalouden hengen mukaisesti uusia ratkaisuja kemikaalien ja materiaalien kestävään tuotantoon sekä biomassan energiakäyttöön eri muodoissa (kuten pelletit, biopolttoaineet ja biokaasu). Lignoselluloosapohjaista, uusiutuvaa biomassaa, kuten tässä työssä tutkittua ohran olkea, on runsaasti saatavilla. Lignoselluloosa onkin yksi lupaavimmista raaka-aineista korvaamaan fossiilisia polttoaineita ja vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä. Väitöskirjatutkimus antaa uutta tietoa ohran oljen mekaanis–katalyyttisestä käsittelystä, mikä on suhteellisen uusi menetelmä biomassan katalyyttisessä muokkauksessa. Menetelmässä yhdistetään kemiallinen katalyysi ja mekaaninen muokkaus (jauhatus) kuulamyllyllä. Lignoselluloosa (ohran olki) impregnoitiin tai sekoitettiin tutkitun katalyytin (muurahaishappo, etikkahappo, rikkihappo, oksaalihappodihydraatti, kaliumpyrosulfaatti) kanssa ja käsiteltiin erilaisissa mekaanis–katalyyttisissä olosuhteissa. Lignoselluloosan selektiivinen depolymerointi muodosti vesiliukoisia oligosakkarideja ja edelleen hydrolyysin kautta pelkistyneitä sokereita (pääasiassa ksyloosia, galaktoosia, arabinoosia ja glukoosia), joita voidaan käyttää biopolttoaineiden ja -kemikaalien valmistuksessa. Tutkimuksen tulosten perusteella rikkihappokatalyytillä saatiin 53,4 massa-% ohran oljen sisältämistä pelkistyneistä sokereista vapautettua lyhyillä käsittelyajoilla. Lisäksi sivutuotteiden muodostuminen oli vähäistä. Vastaavasti oksaalihappodihydraatti (sokerisaanto 42,4 massa-%) ja kaliumpyrosulfaatti (sokerisaanto 39,7 massa-%) toimivat uusina katalyytteinä hyvin, mutta vaativat rikkihappokatalyyttiä pidemmät jauhatusajat. Sen sijaan muurahaishapolla ja etikkahapolla sokerisaanto oli erittäin alhainen (alle 10 massa-%) mekaanis–katalyyttisessä käsittelyssä. Tutkimuksessa todettiin, että voimakas jauhatus vaikutti selkeästi reaktiolämpötilan nousuun käsittelyn aikana, mikä edisti korkeampaa sokerisaantoa. Vastaavasti sokerisaantoa voitiin parantaa katalyyttimäärällä ja happamuudella. Tulokset osoittavat, että näiden muuttujien tasapaino on ratkaisevaa ohran oljen tehokkaan katalyyttisen muuntamisen kannalta.

Il a été montré que la consommation de Lactobacillus pouvait avoir des conséquences sur le poids de l’hôte, et ce, en fonction de la souche inoculée. Nous avons voulu comprendre le mécanisme par lequel ces microorganismes prolifèrent dans le tube digestif et induisent un changement de poids. Nous avons exploré la production de bactériocines permettant aux souches de Lactobacillus de croître au détriment des autres micro-organismes. Nous avons constitué une base de données de bactériocines nommée BUR et recherché les bactériocines dans les génomes de bactéries du tube digestif humain. Nous avons observé une abondance de bactériocines dans les génomes des bactéries du tube digestif, majoritairement dans les Firmicutes. Aussi, nous avons approfondi l’étude du profil métabolique des souches de Lactobacillus par une approche génomique et dans une analyse in vitro. Nous avons constaté que les souches de Lactobacillus dont la consommation induit une perte de poids possèdent des enzymes qui empêchent l'obésité en réduisant les niveaux de glucose dans le sang, les niveaux de triacylglycérols sériques, la masse corporelle et l'accumulation de graisse, tandis que les génomes des souches dont la consommation induit un gain de poids codent pour plusieurs enzymes favorisant la production de fructose, et mobilisent l'énergie et le carbone stocké dans les acides gras. De ce fait, nous pouvons dire que les espèces de Lactobacillus jouent un rôle important dans la digestion des nutriments, avec un effet direct sur le changement de poids. / It has been shown that Lactobacillus consumption could affect the weight of the host, and led consequently to significant weight gain or loss, depending on the strain. We wanted to understand the mechanism by which these microorganisms induce weight change. We explored the various known mechanisms, including the production of bacteriocins, allowing Lactobacillus strains to grow at the expense of other microorganisms. We established a bacteriocin database, named BUR, and search for bacteriocins in the genomes of human gut bacteria. We observed an abundance of bacteriocins in the genomes of bacteria in the digestive tract, predominantly in Firmicutes. We also have deepened the study of the metabolic profile of Lactobacillus strains, both by a genomic approach and in an in vitro assay, to better understand the pathophysiology of obesity. We have found that Lactobacillus strains whose consumption induces weight loss possess enzymes which prevent obesity by reducing glucose levels in blood, serum triacylglycerols levels, body weight and the accumulation of fat, whereas the genomes of strains whose consumption leads to weight gain encode several enzymes promoting the production of fructose and mobilize energy and the carbon stored in the fatty acids. Therefore, we can say that Lactobacillus species are important in the digestion of nutrients and can have a great influence on carbohydrate and lipid metabolism, with direct effect on weight change.

Repeated cold exposures and warmer winter temperatures might negatively affect insects by depleting stored fuel reserves. I researched the effects of fluctuating thermal regimes on two species of solitary mason bees (Osmia albiventris and O. lignaria) by quantifying mass loss and reserves of lipids, free sugars, and glycogen after experimental temperature treatments during early spring. In a second season, I quantified mass loss, time to emergence, and time to recover from chill coma after bees had been exposed to one of two spring-time temperature regimes. I found that warmer temperatures in combination with greater temperature variability increases mass loss and the depletion of fuel reserves. Additionally, my results suggest that accelerated bee emergence helps to mitigate mass loss. Overall, these bees appear resilient in the face of changing spring temperatures. Résumé: On sait peu sur la façon dont la variabilité environnementale affecte les abeilles solitaires sauvages. Ma recherche a étudié la façon dont les régimes thermiques fluctuants affectent la vigueur de deux espèces d'abeilles solitaires (Osmia albiventris et O. lignaria) en quantifiant la perte de masse ainsi que les réserves métaboliques (lipides, sucres libres, et glycogène) des abeilles suite à des manipulations expérimentales de la température printanière. Dans une deuxième saison, j’ai quantifié la perte de masse, le temps de l'émergence et le temps pour récupérer du coma froid après que les abeilles avaient été exposées à l'un de deux régimes de températures printanières. Mes résultats indiquent que les températures plus chaudes ont tendance à augmenter la perte de masse et des réserves métaboliques lorsqu'elles sont combinées avec une plus grande variabilité. De plus, mes résultats suggèrent que ces abeilles sont résilientes face aux températures printanières changeantes.

Dentre os vários processos que concorrem para o amadurecimento da banana, a degradação do amido e sua conversão em açúcares solúveis, principalmente sacarose, são dois dos processos mais relevantes para a obtenção o sabor doce característico do fruto maduro. Embora venha sendo estudado há anos, ainda não foram esclarecidos quais os mecanismos regulatórios e os possíveis sinais hormonais envolvidos no controle da degradação do amido e na síntese da sacarose. O presente estudo objetivou avaliar o efeito do ácido indol-3-acético (AIA), um hormônio da classe das auxinas com reconhecido efeito retardador do amadurecimento, sobre o metabolismo amido-sacarose e algumas enzimas correlacionadas, em bananas. Observou-se um forte efeito retardador do hormônio sobre a degradação do amido no amido durante o amadurecimento de fatias de bananas infiltradas com uma solução contendo AIA em manitol, em comparação com fatias controle infiltradas apenas com manitol. As atividades de alfa e ß-amilase e alfa-1,4-glicosidase neutra foram afetadas pelo AIA, apresentando atraso no desenvolvimento de suas atividades durante o amadurecimento, quando comparadas às fatias controle. A atividade da fosforilase de amido aparentemente não foi afetada. A transcrição do mRNA da ß-amilase foi atrasada pelo AIA e pôde ser correlacionada ao atraso na degradação do amido Os resultados sugerem que o atraso na mobilização do amido provocado pelo AIA deve decorrer de seus efeitos sobre as enzimas amilolíticas. O trabalho também sugere a relevância da ß-amilase para o processo e que esta enzima, ao menos em parte, é regulada por transcrição. No sentido da síntese de sacarose, as atividades de SuSy e SPS não mostraram alterações significativas. A transcrição do mRNA da SuSy e da SPS não foram afetadas. O atraso no acúmulo da sacarose, observado nas fatias infiltradas com o hormônio, pode ser conseqüência da limitação de substrato para a síntese deste açúcar devido ao atraso na degradação do amido. Medidas de etileno revelaram que a produção deste hormônio não foi afetada pelo AIA, sugerindo que a degradação do amido, pelo menos em parte possa ser um evento etileno- independente. Medidas da forma livre do AIA endógeno nas fatias controle e em bananas inteiras, mostraram que os níveis desta auxina decrescem durante o amadurecimento, atingindo os menores valores durante a mobilização do amido. Nas fatias tratadas, as medidas da forma livre do AIA e de seus conjugados mostraram a existência de um eficiente sistema capaz de mobilizar o excesso do hormônio no tecido e acomodando os níveis da forma livre aos mesmos encontrados nas fatias controle e nas bananas inteiras. Esta observação pode ser temporalmente correlacionada ao atraso na degradação do amido. O presente estudo mostrou não apenas a capacidade do AIA em afetar o metabolismo amido-sacarose em bananas mas também sugere que este hormônio pode ser parte dos sinais que regulam o madurecimento em bananas. / During banana ripening, starch degradation and sucrose formation are important processes responsible for the sweetening of ripe fruit. Although has been studied for several years, the regulation and hormonal signals that control these metabolic processes still remains not clear. The objective of this work has been evaluate the effect of indole-3-acetic acid (IAA), an auxin with inhibitory effect on ripening, on starch-to-sucrose metabolism and some correlated enzymes. The results showed a delay on starch degradation in slices infiltrated with IAA plus mannitol comparing to slices infiltrated only with mannitol. The activities of alfa- and ß-amylase and alfa-1,4-glucosidase was delayed. Starch phosphorylase was not affected. These results suggest that IAA can delay starch degradation inhibiting, at least partially, the amylolitic activity. Synthesis of ß-amylase mRNA was strong delayed on IAA-treated slices comparing to control slices, indicating that this enzyme could be, at least partially, regulated at the transciptional level. In sucrose synthesis direction, sucrose synthase (SuSy) and sucrose-phosphate synthase (SPS) activities and mRNA transcription were not affected. This suggests that delay on sucrose formation could be a consequence of lack of substrate, since starch degradation was inhibited. Ethylene measurements didn\'t reveal any significant differences between control and IAA-treated slices suggesting that starch degradation on banana ripening could be a ethylene-independent event. Free endogenous IAA measurements on control slices and whole banana fruit showed that this IAA fraction decrease continuously in the pulp of banana during ripening, reaching the lowest levels at the same time that starch degradation begun. On IAA-treated slices, the free plus conjugate IAA showed the existence of an efficient system that mobilized the hormone excess and brought the free IAA to the same levels of control and whole fruit. This could be timely correlated with the delay on starch degradation. This work shows not only that IAA can delay the starch degradation but also suggest that IAA could be part of regulatory signals involved on banana ripening.