Um grande empecilho para a manutenção e estabilidade da produção nacional de soja reside na suscetibilidade dos diferentes genótipos aos estresses ambientais. Tendo em vista a importância social e econômica da leguminosa e os efeitos extremamente danosos dos estresses abióticos sobre a agricultura, faz-se necessário maior conhecimento acerca das interações entre os estímulos estressores e as respostas da planta. A seca é considerada o principal fator limitante na produtividade agrícola. Sendo assim, a identificação e caracterização de genes responsivos a essa condição é um passo inicial na compreensão das respostas adaptativas ao déficit hídrico. Os genes Asr (ABA, Stress and Ripening) são induzidos por estresse e ácido abscísico (ABA) e seus níveis de expressão são rapidamente aumentados em resposta à salinidade e seca. Nesse estudo os genes da família Asr de soja foram clonados. Estas proteínas são hidrofílicas e ricas nos aminoácidos Ala, His, Glu e Lis, apresentando homologia com ASRs de outras plantas, como atestado nas análises de múltiplos alinhamentos. O perfil de expressão foi avaliado através de RT-qPCR em tempo real e revelou que Asr1 tem um distinto padrão de indução no nível de transcritos em folha sob tratamento com ABA, sal e seca, enquanto Asr3 apresenta padrão distinto de indução na expressão em raiz, sob tratamento com ABA e seca. Além disto, foram construídos vetores para a superexpressão e localização subcelular das proteínas ASR1, ASR2 e ASR3 em plantas. Plantas de Arabidopsis thaliana foram submetidas a um protocolo de transformação genética mediada por Agrobacterium. / One of the major obstacles to maintain the stability of the national production of soybean (Glycine max) lies on the susceptibility of different genotypes to abiotic stress. In view of the social and economic importance of soybean and due to the extremely harmful effects of stress in agriculture, detailed knowledge of the interaction between these stresses and plant response to environmental stimuli is necessary. Drought is considered the main abiotic limitation factor for agricultural productivity. Identification and characterization of responsive genes to this condition is an initial step in understanding the adaptive responses to drought. The Asr (ABA, Stress and Ripening) genes are induced by stress and abscisic acid (ABA) in plants, and their expression levels are quickly increased in response to salinity and drought. In this study Asr genes from Glycine max were cloned. These proteins were found to be hydrophilic and rich in amino acids Ala, His, Glu and Lys, showing homology with those of other plant Asr genes via multiple alignment analysis. RT-qPCR analyses revealed that Asr1 had a distinct up-regulated transcript pattern in leaf under ABA, NaCl and drought treatments, while Asr3 had a distinct up-regulated transcript pattern in root under ABA and drought treatments. Besides, vectors for ASR1, ASR2 and ASR3 proteins overexpression and subcellular localization in plants were constructed. Arabidopsis thaliana plants were submitted to an Agrobacterium-mediated transformation procedure.

A maioria das gramíneas possui absorção radicular de silício de forma ativa e são plantas acumuladoras de deste elemento. Já as leguminosas, possuem absorção passiva, são exclusoras de silício e não acumuladoras deste elemento. A maior parte do silício absorvido pelas raízes das plantas é depositada na forma de sílica amorfa combinada a compostos orgânicos como a celulose, podendo tornar o silício um elemento imóvel nas plantas, ou de baixa mobilidade. Os processos que regulam a absorção radicular, o transporte à longa distância a deposição de silício nas plantas podem variar entre as espécies vegetais e são regulados pelo crescimento das plantas ou pelo ambiente em que elas estão. Condições de estresse abiótico, como a contaminação do solo por cádmio, deficiência hídrica etc., podem estimular a absorção, o transporte e até mesmo a mobilização do silício, o que pode levar a sua redistribuição, como forma de resistência ao estresse fisiológico. O objetivo deste trabalho foi avaliar a absorção pelas raízes, o acúmulo e a mobilidade de silício em espécies acumuladoras e não acumuladoras de silício, sob condições ideais de desenvolvimento e em condição de estresse, devido ao excesso de cádmio. Para tal, foram desenvolvidos cinco experimentos em casa de vegetação, utilizando solução nutritiva como meio de cultivo. O primeiro experimento objetivou determinar a época de maior absorção radicular e acúmulo de silício por plantas de arroz, trigo, feijão e soja e a distribuição deste elemento nestas plantas. Neste estudo, foi evidenciado o incremento da produção de matéria seca pela aplicação de silício, principalmente para as plantas de arroz e feijão. As espécies acumuladoras de silício, neste caso, o arroz e o trigo, apresentam um padrão contínuo e crescente de absorção, proporcional ao período de desenvolvimento. Já as espécies não acumuladoras, como o feijão e a soja, absorveram proporcionalmente mais silício no período inicial de desenvolvimento. A proporção relativa entre o silício acumulado na parte aérea e nas raízes das plantas acumuladoras de silício, arroz e trigo, é muito maior quando comparado com as não acumuladoras, feijão e soja. O segundo experimento objetivou a verificação da possível mobilidade do silício em plantas de arroz e de feijão, por meio de técnica isotópica. Para isso as plantas foram cultivadas em um período com silício na solução nutritiva e depois esse viii elemento foi retirado do meio de cultivo. A partir das análises isotópicas do 30Si nas folhas velhas das plantas (produzidas na presença de silício) e folhas novas (produzidas na ausência de silício), em condições ideais de desenvolvimento das plantas, verificou-se que o silício é um elemento imóvel, pois não ocorreu redistribuição de silício de folhas velhas para folhas novas, quando este elemento foi suprimido da solução nutritiva. O terceiro e o quarto experimento foram desenvolvidos com o objetivo de estudar a interação entre silício e cádmio em plantas de feijão e de arroz. Foi verificado que o em condições de toxidez de cádmio, o silício promoveu a manutenção da produção de matéria seca das plantas, pela diminuição dos efeitos deletérios deste elemento, em ambas as espécies. Os mecanismos desencadeados pelo silício para conferir o aumento da tolerância ao cádmio, foram distintos entre as espécies. O acúmulo de silício em plantas de arroz foi proporcional à concentração de cádmio em solução, já para as plantas de feijão o acúmulo decresceu na maior dose de cádmio, isso foi devido à severa diminuição da produção de matéria seca nesta condição. Em plantas de feijão, o silício promoveu o acúmulo de cádmio nas raízes, o que preveniu o aumento da concentração tóxica deste elemento nos grãos. Nas plantas de arroz, o silício manteve a integridade das paredes celulares, fator que pode promover maior resistência das plantas aos possíveis danos causados pelo excesso de cádmio. O quinto experimento foi realizado para avaliar a redistribuição de silício das folhas velhas para as folhas novas de plantas de arroz e feijão sob condições de excesso de cádmio, pela adição de 30Si via solução nutritiva. Em plantas arroz, foram constatadas alterações na composição isotópica das folhas novas e velhas, demonstrando que a redistribuição do silício em condições de excesso de cádmio, nesta mesma condição, em plantas de feijão, não ocorreu redistribuição do silício. Pelo exposto, pôde-se concluir que existem diferenças marcantes entre os processos de absorção, transporte e deposição de silício nas plantas acumuladoras e não acumuladoras, em condição da aplicação de silício, e que estes processos estão diretamente relacionados com os benefícios conferidos por este elemento. Em condições de estresse, há redistribuição de silício em plantas de arroz. Tal fato também deve ocorrer nas demais espécies acumuladoras, por apresentarem os mesmos padrões de fotoassimilação de carbono e de absorção radicular, transporte e as mesmas exigências nutricionais, e neste sentido o silício pode estimular o sistema de defesa das plantas. Situação em que o silício promove a supressão do fator de estresse e, dentro de certos limites, mantém o desenvolvimento das plantas / Most grasses have root active uptake of silicon and are considered as silicon accumulator plants. In contrast, legumes have passive uptake of silicon and are considered as non accumulator plants. Most of the silicon that is absorbed by the roots is found in the plants as amorphous silica associated to organic compounds as celluloses that can immobilize silicon inside the plants. Processes that drive absorption by roots, transport and accumulation of silicon in plants may vary among species and are driven by the plant growth or environment. Abiotic stressing conditions, as cadmium contamination and drought stress, might stimulate the uptake, transport or even the mobilization of silicon as a tool of resistance to the physiological stress. The goal of this work was to evaluate the uptake, accumulation and mobility of silicon, comparing species considered accumulators and non accumulators under ideal conditions of development and, under environment stressed by cadmium contamination. Thus, five experiments were carried out in a green house using nutrient solution. The first experiment aimed to establish the period when the silicon absorption of accumulator and non accumulator plants as rice, wheat and soybeans, was highest. This study showed the increase of dry matter yields when the silicon is applied, mainly for rice and bean plants. The silicon accumulator species, rice and wheat, showed a continuous increased of silicon uptake with plant growths. The non accumulator species, as beans and soybeans, had a greater uptake of silicon at the early beginning of their development. The relation among accumulated silicon in the shoots and the roots of accumulator plants is greater than in non accumulators. The second experiment was carried out to verify the mobility of silicon in plants of rice and beans. The analysis of percentage of 30Si atoms in old leaves (produced with silicon supply) and new leaves (produced without silicon supply) demonstrated that, under ideal conditions of development, silicon had no mobility in the studied species. The third and fourth experiments were carried out to verify the interaction among silicon and cadmium in plants of beans and rice. The accumulation of silicon in plants of beans and rice submitted to cadmium excess and the effect of reduction of cadmium toxicity were evaluated at these experiments. In these experiments, silicon maintained the dry matter production of plants submitted to cadmium x treatment, as the element had diminished the cadmium harmless. As the rates of cadmium got greater, silicon uptake was stimulated for both species. The mechanisms triggered by the silicon for increasing the tolerance to the cadmium, were different for each species. In beans silicon increased the accumulation of cadmium in the roots and reduced the concentration of this element in the grains. The greater cadmium retention in the roots, probably, leads to reduce the toxicity caused by this element to the plants. In rice plants, the maintained of cell walls promoted by the silicon, probably, supported the greater resistance of these plants to the cadmium toxicity. The fifth and last experiment was carried out to evaluate silicon mobility in beans and rice plants under cadmium excess. A silicate with 10% of 30Si atoms was added to the nutrient solution to demonstrate the mobility of silicon from old leaves to new leaves. Na alteration in the isotopic composition in new leaves of rice indicated a redistribution of silicon. The cadmium excess promoted the redistribution of silicon from old to new leaves of rice but not in beans plants. We demonstrate that there are strong differences among the uptake, transport and silicon deposit of plants and theses processes are related to the benefits that silicon generates in the plants. The redistribution of silicon occurs in rice plants submitted to stressing conditions where silicon has a relative mobility that could be, even in the future extrapolated to other accumulator species that might require silicon as a stimulator of the plant defense system. The most silicon accumulators species have the same carbon photo assimilation and the same root uptake patterns, therefore the same behavior is expected for silicon, and it can be concluded that silicon mobilization during stress conditions lets to maintain normal plant development, within certain limits

Made available in DSpace on 2014-08-20T13:25:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_angela_rohr.pdf: 1097467 bytes, checksum: 6a58273c690b74d83e088521e72f61ff (MD5) Previous issue date: 2012-03-30 / The potato is the third major food crop in the world and is one of the most sensitive species to water deficit. Given the climate change scenario, the cultivation of potatoe is highly threatened, and it is urgent the need to develop varieties adapted to this demand. This work was developed aiming to characterize the genetic structure of the potato germplasm from Embrapa breeding program and to evaluate the response of potato genotypes to water deficit in two growing seasons. To evaluate the genetic structure from potato germplasm, 131 genotypes were characterized with seven SSR loci. The results showed that although the evaluated germplasm has shown a wide and unstructured genetic variability, there is a trend of narrowing the genetic base that is actually being used by the breeding program. To evaluate the response of potato genotypes to drought stress, 12 genotypes were evaluated in two seasons, spring and fall, in hydroponic culture using polyethyleneglycol to simulate a water deficit of -0.129 MPa. The genotypes were evaluated with respect to various morphological and agronomic characters, such as root and shoot dry weight as well as number of tubers produced per plant. Based on the results of this work can be seen that the potato genotypes respond differently to drought stress depending on the growing season that it is cultivated, if spring or fall. It was also found that the negative effect of drought stress in tuber development and yield is more pronounced in spring season than in autumn. / A batata é o terceiro principal alimento no mundo e é um dos cultivos mais sensíveis ao déficit hídrico. Diante do cenário de mudanças climáticas o cultivo de batata está fortemente ameaçado, sendo urgente a necessidade de desenvolver variedades adaptadas a essa demanda. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de caracterizar a estrutura genética do germoplasma usado pelo programa de melhoramento da Embrapa e avaliar a resposta de genótipos de batata submetidos ao déficit hídrico em duas épocas de cultivo. O primeiro trabalho, para caracterizar a estrutura genética do germoplasma do programa de melhoramento de batata da Embrapa foi caracterizado 131 genótipos com sete loci SSR. Como resultado, embora o germoplasma avaliado tenha mostrado uma ampla variabilidade genética e não estruturada, há uma tendência de estreitamento da base genética que está efetivamente sendo utilizada pelo programa. No segundo trabalho, com o objetivo de verificar a resposta de genótipos de batata ao estresse hídrico foram avaliados doze genótipos, em duas épocas, primavera e outono, em cultivo hidropônico com o uso de polietilenoglicol simulando um déficit hídrico -0,129 Megapascal (MPa). Durante o experimento foram mensurados vários caracteres morfo-agronômicos, como a massa seca de raiz e de parte aérea e o número e massa seca de tubérculos produzidos por planta. Com base nos resultados obtidos foi constatado que os genótipos de batata respondem diferencialmente ao estresse hídrico dependendo da época de cultivo, se primavera ou outono. Também foi observado que o estresse hídrico provoca um efeito negativo no desenvolvimento e produção de tubérculos sendo que esse efeito é mais pronunciado no cultivo de primavera do que no outono.

Made available in DSpace on 2014-08-20T13:32:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_railson_schreinert_dos_santos.pdf: 1331296 bytes, checksum: 2121f264ff3310f6f460595517aafdab (MD5) Previous issue date: 2012-07-27 / Rice (Oryza sativa L.) is one of the most important cereals in the world being cultivated in lowland ecosystems, which have a common characteristic: lack of drainage conditions. The lack of oxygen, due to submergence of seedlings, and iron toxicity are two of the major abiotic stresses which rice plants are subjected. Recently it was realized the importance of some ethylene responsive transcription factors (ERFs) in plant response to different stresses, especially to oxygen depletion. Considering it, two studies were made in order to evaluate the expression of ERFs under different stresses. In a first study seven genes were selected, based on previous results obtained from Genevestigator analysis, and had their transcriptional expression evaluated trough quantitative PCR (qPCR) in rice seedlings under oxygen depletion and iron overload. In the second study thirteen ERFs, which had no information available in the literature, also had their transcriptional levels evaluated in seedlings under conditions of hypoxia and anoxia through qPCR in a cultivar susceptible to flooding (Bonança) and a tolerant one (Nipponbare). As general conclusions it was once more emphasized the importance of ERF genes on plant response to environmental stresses. The specific function of each of these genes is yet to be studied. In silico analysis suggests the methylation of promoters as a possible way to regulate them. More studies about the function of these ERFs and about the role of methylation in plant stress response should be done. / O arroz (Oryza sativa L.) é um dos cereais mais importantes no mundo, sendo muito cultivado em ecossistemas de várzea, os quais apresentam uma característica comum: condições de deficiência de drenagem. A falta de oxigênio, devido à submergência das plântulas, e a toxidez por excesso de ferro são dois dos maiores estresses abióticos dentre os quais as plantas de arroz são submetidas. Recentemente percebeu-se a importância de alguns fatores de transcrição responsivos ao etileno (ERFs) na resposta vegetal à diferentes estresses, em especial à deficiência de oxigênio. Considerando-se o exposto efetuaram-se basicamente dois estudos visando avaliar a expressão de ERFs em diferentes estresses. Em um primeiro estudo sete genes foram selecionados a partir de resultados anteriores obtidos de análise no Genevestigator e estes tiveram sua expressão transcricional avaliada por PCR quantitativa (qPCR) em plântulas de arroz sob deficiência de oxigênio e excesso de ferro. No segundo estudo treze ERFs, os quais não apresentavam informações disponíveis na literatura, também tiveram seus níveis de expressão transcricional avaliados em plântulas sob condições de estresse por hipoxia e anoxia, também através de qPCR em uma cv. sensível à inundação (Bonança) e uma tolerante (Nipponbare). Como conclusões gerais se ressalta, novamente, a importância dos ERFs na resposta vegetal frente a estresses ambientais. A função específica de cada um destes genes ainda necessita ser estudada. Uma análise in silico nos promotores destes genes indica a metilação como possível forma de regulação transcricional. Mais estudos sobre a função destes ERFs e sobre o papel da metilação na resposta de arroz a estresses deverão ser feitas.

Uma das alternativas para reduzir os efeitos negativos das altas temperaturas nas plantas e, consequentemente a perda na produção e qualidade é a utilização de indutores de tolerância. Dentro deste contexto, a L-arginina, se apresenta como uma alternativa, por ser um dos aminoácidos mais funcionais e precursora de importantes compostos na regulação metabólica das plantas, com efeito na atenuação do estresse abiótico. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da aplicação foliar de diferentes doses de L-arginina (0; 0,15; 0,25; 0,5; 1,0 e 2,0 g L-1) na fisiologia, produção e qualidade do tomate cultivar Pizzadoro cultivado em ambiente protegido no período de verão. Para avaliação do efeito da L-arginina na fisiologia, foram feitas análises de indicadores de estresse dos compostos malonaldeído (MDA) e peróxido de hidrogênio (H2O2), das enzimas antioxidantes superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT) e ascorbato peroxidase (APX), teores de aminoácidos livres e teores de nutrientes nas folhas de tomateiro. Na produção foram determinadas a produção total (PT), a produção com presença de defeitos (PRDEF), a produção não comercial (PRNC) e a produção comercial (PC) com a classificação de calibre pequeno (PROP), médio (PROM) e grande (PROG). Além disso, foram determinados o número de frutos totais (NFT), número de frutos com presença de defeitos (NDEF), número de frutos não comerciais (NFNC) e número de frutos comerciais (NFC) com classificação de calibre pequeno (NFP), médio (NFM) e grande (NFG). Amostras de frutos maduros foram colhidas para a determinação de sólidos solúveis (SST), pH da polpa, ácido ascórbico (AA) e acidez total titulável (ATT) para determinação da qualidade do tomate. A aplicação de 1,0 g L-1 de L-arginina diminuiu o teor de MDA, e aumentou a atividade das enzimas CAT e APX. Além disso, essa dose do aminoácido aumentou a PC, PT, NFC, NFT e diminuiu a produção de NFNC. / Tolerance inductor products are one of the alternatives to reduce the negative effects of abiotic factors in plants, for instance the decrease of crop yield and quality. In this context, L-arginine is one option of this products to mitigate abiotic plant stress, due to its importance as a functional amino acid and precursor of metabolic plant compounds. Hence, the project objective was to evaluate the exogenous foliar application of different rates of L-arginine (0; 0.15; 0.25; 0.5; 1.0 e 2.0 g L-1) on physiology, yield and quality of tomato cultivar Pizzadoro growth in protected enviroment during Summer. Physiological effect were analized by markers of oxidative stress, as malondialdehyde (MDA) and hydrogen peroxide; activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and ascorbate peroxidase (APX) enzymes; free amino acids and nutrient contents in tomato leaves. Yield was estimated by total production (TP), production of defective fruit (PDF), non-commercial fruit production (NCFP) and commercial fruit production (CP). CP was classified as small (SPRO), medium (MPRO) and large (LPRO) sizes. Number of total fruit (NTF), number of defective fruit (NDF), number of non-commercial fruit (NNCF) and number of commercial fruit (NCF) were classified as small (NSF), medium (NMF) and large (NLF) sizes. Sample of mature tomatoes were harvested to assess quality, by content of soluble solids (SST), pH of tomato pulp, ascorbic acid (AA) and titratable acidity (TA). Application of L-arginine at rate of 1.0 g L-1 reduced MDA and increased CAT and APX. Besides physiological aspects, this level of amino acid increased CP, TP, NCF, NTF and decreased NNCF.

O crescente aumento da contaminação do solo por metais pesados, em especial o cádmio (Cd), associado à importância dos cereais, sendo estes nos países subdesenvolvidos e alguns em desenvolvimento a maior fonte protéica, são aspectos importantes que originaram a ideia deste estudo que procura analisar o metabolismo do aminoácido essencial lisina em milho (Zea mays), submetido à contaminação por Cd. Foram realizados vários ensaios a fim de se avaliar a atividade das principais enzimas do sistema antioxidante, a quantidade de aminoácidos solúveis totais e a atividade das enzimas da via do anabolismo e catabolismo da lisina. Os resultados foram apresentados na forma de dois capítulos. O capítulo 1 apresenta a caracterização bioquímica das plantas de milho (linhagem 161) submetidas ao estresse pelo Cd analisando-se a quantificação do metal nos diferentes tecidos vegetais, análise das principais enzimas do sistema antioxidante, quantificação de proteínas de reserva e aminoácidos solúveis totais, além da análise das principais enzimas da via da lisina. Os resultados da caracterização bioquímica mostraram que estes parâmetros avaliados não diferiram significativamente entre as plantas contaminadas e as do controle. No capítulo 2 foi realizada a análise das principais enzimas da via da lisina em um outro genótipo de milho, sendo uma variedade comercial (AL Avaré). De maneira geral, os resultados mostraram que o Cd induziu leves alterações nas atividades de algumas enzimas da via da lisina. Além disso, foram observadas diferenças entre os dois genótipos, tanto nas atividades específicas de enzimas como na quantificação de aminoácidos livres. Além dos dois capítulos, foram incluídos dois estudos complementares, que trouxeram análises adicionais ao estudo principal. O estudo complementar 1, apresenta os resultados de um estudo com plântulas de milho, de diferentes genótipos, sendo um com maiores teores de lisina (opaco2) e os outros para alta eficiência no uso de nitrogênio (EUN) e para baixa EUN. Tanto os resultados da peroxidação lipídica, quanto a quantidade de aminoácidos solúveis totais apresentaram diferenças entre os genótipos e doses de Cd utilizadas. O estudo complementar 2 apresenta alguns dados de enzimas antioxidantes, em PAGE não-desnaturante, de coleóptilos e radículas de embriões imaturos (sem a presença de endosperma) e germinados na presença de Cd. Estes dados mostraram uma nítida resposta antioxidante. Além disso, foram analisadas algumas células provenientes de radículas de sementes de milho germinada na presença de Cd, a fim de se avaliar os danos do metal sobre o DNA. Em resumo, os resultados obtidos neste estudo nos ajudaram a entender um pouco mais sobre o efeito do Cd nos processos fisiológicos e bioquímicos das plantas analisadas. Entretanto, estes dados podem ser considerados o ponto de partida para estudos mais detalhados. / The increase of soil contamination by heavy metals, especially cadmium (Cd), associated with the importance of cereals, which are the major source of protein in the underdeveloped and some developing countries, are important aspects that gave rise to the idea for this study which tries to analyze the metabolism of the essential amino acid lysine in maize (Zea mays), submitted to the contamination by Cd. Several tests were carried out to evaluate the activity of the main enzymes of the antioxidant system, the amount of total soluble amino acids and the activity of enzymes of lysine metabolism. The results were presented two chapters. Chapter 1 reports the biochemical characterization of the maize plants (a line with higher levels of lysine, L161) submitted to stress by Cd analyzing the metal quantification in different plant tissues, analysis of the main enzymes of the antioxidant system, quantification of reserve proteins and total soluble amino acids, in addition to the analysis of the main enzymes of lysine pathway The results showed that these parameters did not differ significantly between contaminated plants and those of the control. In Chapter 2 the main enzymes of lysine metabolism were analyzed in a commercial variety of maize (AL Avaré). Overall, the results showed that Cd induced slight changes in the activities of some enzymes of lysine pathway. In addition, differences were observed between the two genotypes, both in the specific activities of enzymes and on quantification of soluble amino acids. In addition to the two chapters, two complementary studies were included, which provided additional analyzes to the main study. Complementary study 1 presents the results of a study with maize seedlings of different genotypes, one with higher lysine (opaque2) and others for high efficiency in nitrogen use (EUN) and low EUN. Lipid peroxidation results and the amount of total soluble amino acids showed differences between the genotypes and the Cd concentrations used. Complementary study 2 presents some non-denaturing antioxidant enzyme data from coleoptiles and immature embryo rootlets (without the presence of endosperm) and germinated in the presence of Cd. These data showed a clear antioxidant response. In addition, some cells from germinated maize seedlings were analyzed in presence of Cd in order to evaluate the damage of the metal on the DNA. In summary, the results obtained in this study helped us to understand a little more about the effect of Cd on the physiological and biochemical processes of the plants analyzed. However, these data can be considered the starting point for more detailed studies.

Orientador: Paulo Arruda / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-25T23:29:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barreto_PedroPaulo_D.pdf: 2593736 bytes, checksum: 667c2ed03e1e7e51ac393087c3acc7ae (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A proteína desacopladora mitocondrial 1 (UCP1) é uma proteína mitocondrial codificada pelo núcleo capaz de desacoplar o gradiente eletroquímico usado para a síntese de ATP, dissipando a energia na forma de calor. A descoberta de homólogos e ortólogos da UCP1, sugere outros papéis fisiológicos para estas proteínas. As UCPs podem servir como uma válvula de escape, diminuindo a força protonmotiva (PMF) e reduzindo a produção de ROS em condições desfavoráveis. Plantas superexpressando UCPs se desenvolvem melhor quando submetidas a estresses bióticos e abióticos. Estas plantas demonstraram diminuição na produção de ROS, alteração no estado redox celular, além de um aumento no metabolismo energético e na fotossíntese. Neste trabalho nós investigamos os mecanismos moleculares envolvidos no metabolismo energético celular e resposta a estresses em plantas de tabaco superexpressando a UCP1 de A. thaliana. Demonstramos, através de análises moleculares e genômicas, que a superexpressão da UCP1 é capaz de provocar o aumento na respiração desacoplada em mitocôndrias isoladas, diminuir o conteúdo de ATP intracelular, e desencadear um processo de sinalização retrógrada que resulta na indução de genes mitocondriais e genes responsivos a estresses. Esta sinalização retrógrada resultou na indução do processo de biogênese mitocondrial verificado pelo aumento no número e área mitocondrial por célula, além de alterações morfológicas nestas organelas. O processo de biogênese mitocondrial nestas plantas é acompanhado pelo aumento na expressão de um grande número de genes responsivos a estresses, o que resulta no melhor desempenho e reduzida produção de ROS mitocondrial quando submetidas a estresses abióticos. A análise detalhada do transcriptoma de plantas superexpressando UCP1 em comparação com plantas selvagens demonstrou uma forte conexão entre os metabolismos mitocondrial, citoplasmático e cloroplástico para compensar as alterações provocadas pelo aumento na atividade da UCP1. Um grande número de fatores de transcrição ainda não caracterizados foram identificados e podem representar bons alvos para investigações futuras a respeito da regulação da biogênese mitocondrial e do metabolismo energético em plantas. Os resultados contidos nesta tese nos permitem melhor compreender a flexibilidade do metabolismo energético em plantas e identificar possíveis reguladores do processo de biogênese mitocondrial e resposta a estresses em plantas / Abstract: The mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1) is a nuclear-encoded mitochondrial protein capable of uncouple the electrochemical gradient used for ATP synthesis, dissipating energy as heat. The discovery of UCP1 homologues, and its corresponding orthologues suggest diverse physiological functions for these proteins. UCPs may serve as an escape valve, decreasing the proton motive force (PMF) and preventing ROS production under unfavorable conditions. Plants overexpressing UCPs perform better under biotic and abiotic stresses. These plants show diminished ROS production, alteration of cell redox homeostasis, increased energy metabolism and photosynthesis. In this work we investigated the molecular mechanisms underlying cell energy metabolism and stress response in tobacco plants overexpressing an Arabidopsis thaliana UCP1. We demonstrated through molecular, cellular and genomic tools that UCP1 overexpressing plants is capable of increasing uncoupled respiration of isolated mitochondria, decrease intracellular ATP levels, and trigger a retrograde signaling that resulted in a broad induction of mitochondrial and stress response genes. The retrograde signaling resulted in the induction of mitochondrial biogenesis verified by increased mitochondrial number, area and alterations on mitochondrial morphology. The increased mitochondrial biogenesis in these plants accompanied by the broad increase in the expression of stress responsive genes, may be responsible for the diminished ROS production and the better performance of these plants when submitted to several abiotic stresses. We also performed a detailed analysis of the transcriptome expression of the UCP1 overexpressing plants as compared with the wild type plants. We verified that the UCP1 overexpressing plants exhibited a tight connection between mitochondrial, cytoplasm and chloroplast energy metabolism to accommodate the alterations caused by the increased UCP1 activity. A number of uncharacterized transcription factors seem to be good targets for future investigations on the regulation of plant mitochondrial biogenesis and energy metabolism. The results presented in this work allowed a better understanding of the flexibility of energy metabolism in plants, and the use of this mechanism to identify possible regulators of plant mitochondrial biogenesis and stress response / Doutorado / Bioinformatica / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

Agrobacterium is widely considered, when suitably modified, to be the most effective vector for gene transfer into plant cells. For a long time, many cereals crops (monocotyledonous plants) were recalcitrant species to genetic modification, mainly as a result of their recalcitrance to in-vitro regeneration and their resistance to Agrobacterium infection. However, recently Agrobacterium-mediated transformation has been used to transform monocot crops such as maize (Zea mays) but with severe restrictions on genotype suitability. This study was carried out to evaluate the transformation amenability of 2 Syrian maize varieties and 2 hybrids in comparison with the hybrid line Hi II by the Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation technique using a callus induction based system from immature zygotic embryos IZEs. A. tumefaciens strains EHA101, harbouring the standard binary vector pTF102, and the EHA105 containing the pBINPLUS/ARS:PpCBF1 vector were used. The effects of genotypes and the size of IZEs explants on callus induction and development were investigated. Results showed that callus induction and subsequent callus growth were significantly affected by the initial explant size. Calli induction from IZEs explants sized 1.5-2.00mm was 76%. Callus weight however decreased to 8.2g, compared with 11.7g of callus derived from IZEs >2.00mm. Callus induction ranged between 73.6-78.9% for varieties and hybrids respectively. Calli derived from varieties weighed significantly more than those initiated from the hybrids. Results demonstrated that Syrian maize genotypes were efficiently transformed via the A. tumefaciens strains but there was variation in transformation frequency. A transformation frequency of 3.7-4.2% was achieved for hybrids and varieties respectively confirming that the transformation frequency was genotype-dependent. The transformation frequency averaged between 3.2-5.6% for the EHA105 and EHA101 respectively. Fertile transgenic plants were regenerated from mature somatic embryos with an average regeneration frequency of 59.2 and 17% respectively for varieties and hybrids. Transgenic seeds of R0 and R1 progenies were produced from 74% of the outcrosses attempted and more than 98% of transgenic plants were normal in morphology. Fertile transgenic maize plants carrying the transferred gene CBF were produced using the Agrobacterium EHA105/PpCBF1 and these plants were shown to be more salt tolerant. Transient expression of the GUS gene was confirmed in transgenic calli, shoots, leaves, roots and floral parts of transgenic R0 and R1 progenies using histochemical GUS assays. The presence of the introduced bar and CBF genes in the genomic DNA of the transformants was confirmed by the PCR amplification. Further, the stable expression of the CBF and bar transgenes in the maize genome of transgenic R1 progeny was confirmed by qRT-PCR. The transformation protocol developed using an A. tumefaciens standard binary vector system was an effective and reproducible method to transform Syrian maize with an anti-stress gene in which fertile salt-resistant transgenic plants were routinely produced. This approach has great potential for development of Syrian maize breeding programmes for abiotic stress resistance for application in many areas in Syrian maize production.

Many systems for field-based, high-throughput phenotyping (FB-HTP) quantify and characterize the reflected radiation from the crop canopy to derive phenotypes, as well as infer plant function and health status. However, given the technology's nascent status, it remains unknown how biophysical and physiological properties of the plant canopy impact downstream interpretation and application of canopy reflectance data. In that light, we assessed relationships between leaf thickness and several canopy-associated traits, including normalized difference vegetation index (NDVI), which was collected via active reflectance sensors carried on a mobile FB-HTP system, carbon isotope discrimination (CID), and chlorophyll content. To investigate the relationships among traits, two distinct cotton populations, an upland (Gossypium hirsutum L.) recombinant inbred line (RIL) population of 95 lines and a Pima (G, barbaderise L.) population composed of 25 diverse cultivars, were evaluated under contrasting irrigation regimes, water-limited (WL) and well-watered pm conditions, across 3 years. We detected four quantitative trait loci (QTL) and significant variation in both populations for leaf thickness among genotypes as well as high estimates of broad-sense heritability (on average, above 0.7 for both populations), indicating a strong genetic basis for leaf thickness. Strong phenotypic correlations (maximum r = -0.73) were observed between leaf thickness and NDVI in the Pima population, but not the RIL population. Additionally, estimated genotypic correlations within the RIL population for leaf thickness with CID, chlorophyll content, and nitrogen discrimination (r(gij) = -0.32, 0.48, and 0.40, respectively) were all significant under WW but not WL conditions. Economically important fiber quality traits did not exhibit significant phenotypic or genotypic correlations with canopy traits. Overall, our results support considering variation in leaf thickness as a potential contributing factor to variation in NDVI or other canopy traits measured via proximal sensing, and as a trait that impacts fundamental physiological responses of plants.

Magister Scientiae - MSc / Stress responsive genes play a key role in shaping the manner in which plants process and respond to environmental stress. Their gene products are linked to DNA transcription and its consequent translation into a response product. However, whilst these genes play a significant role in manufacturing responses to stressful stimuli, transcription factors coordinate access to these genes, specifically by accessing a gene's promoter region which houses transcription factor binding sites. Here transcriptional elements play a key role in mediating responses to environmental stress where each transcription factor binding site may constitute a potential response to a stress signal. Arabidopsis thaliana, a model organism, can be used to identify the mechanism of how transcription factors shape a plant's survival in a stressful environment. Whilst there are numerous plant stress research groups, globally there is a shortage of publicly available stress responsive gene databases. In addition a number of previous databases such as the Generation Challenge Programme's comparative plant stressresponsive gene catalogue, Stresslink and DRASTIC have become defunct whilst others have stagnated. There is currently a single Arabidopsis thaliana stress response database called STIFDB which was launched in 2008 and only covers abiotic stresses as handled by major abiotic stress responsive transcription factor families. Its data was sourced from microarray expression databases, contains numerous omissions as well as numerous erroneous entries and has not been updated since its inception.The Dragon Arabidopsis Stress Transcription Factor database (DASTF) was developed in response to the current lack of stress response gene resources. A total of 2333 entries were downloaded from SWISSPROT, manually curated and imported into DASTF. The entries represent 424 transcription factor families. Each entry has a corresponding SWISSPROT, ENTREZ GENBANK and TAIR accession number. The 5' untranslated regions (UTR) of 417 families were scanned against TRANSFAC's binding site catalogue to identify binding sites. The relational database consists of two tables, namely a transcription factor table and a transcription factor family table called DASTF_TF and TF_Family respectively. Using a two-tier client-server architecture, a webserver was built with PHP, APACHE and MYSQL and the data was loaded into these tables with a PYTHON script. The DASTF database contains 60 entries which correspond to biotic stress and 167 correspond to abiotic stress while 2106 respond to biotic and/or abiotic stress. Users can search the database using text, family, chromosome and stress type search options. Online tools have been integrated into the DASTF, database, such as HMMER, CLUSTALW, BLAST and HYDROCALCULATOR. User's can upload sequences to identify which transcription factor family their sequences belong to by using HMMER. The website can be accessed at http://apps.sanbi.ac.za/dastf/ and two updates per year are envisaged. / South Africa