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Folate, also known as vitamin B9, is an essential dietary vitamin that provides the donor group for one carbon transfer reactions. Deficiency in folate is associated with neural tube birth defects (NTDs), cancer, cardiovascular disease, and anemia. In the US enriched food products including bread, pasta, and cereal are fortified with folic acid, the synthetic analog of folate. While effective in reducing NTDs, this practice is costly and not economically practical in developing countries. Folate biofortification, increasing the natural folate level in foods by metabolic engineering, has been proposed as a sustainable alternative to food fortification with folic acid. To increase folate levels in peanut seed, GTP cyclohydrolase I from Arabidopsis thaliana (AtGCHI) was introduced into peanut by biolistic transformation. Plant transformation vectors were constructed using publicly available or licensable vector components to avoid intellectual property restrictions that hinder commercialization. Thirteen peanut cultivars were evaluated for transformation efficiencies and regeneration potential. Expression levels of the AtGCHI transgene were determined by quantitative real-time PCR. The endogenous peanut GCHI (AhGCHI) was isolated and sequenced. Studies were conducted to test whether heterologous over-expression of AtGCHI altered expression of the endogenous AhGCHI. Seed-specific expression of AtGCHI does not affect AhGCHI transcript accumulation. For validation of the proposed folate biofortification strategy, vitamin quantification will be required. A liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC/MS/MS) method was developed to identify and quantify the different forms of folate. However, additional work will be needed to determine sensitivity of the instrument, to optimize vitamin extraction, and to increase sufficient seed for vitamin extraction and analysis. Peanut products derived from folate biofortified peanut kernels will have a niche market in the United States, but there is a larger global implication as a mechanism for sustainable delivery of essential vitamins to populations that can not adopt synthetic vitamin supplementation/fortification. Successful demonstration of increased folate in peanut will result in better vitamin availability for populationssonsuming peanut based foods as a dietary staple. / Ph. D.

A presença de metais pesados tóxicos em fertilizantes tem sido motivo de preocupação e apontada como um dos obstáculos à produção sustentável de alimentos. Por outro lado, há uma crescente busca por produtos agrícolas de melhor qualidade, com maior teor de micronutrientes e menos fatores antinutricionais, como os metais pesados tóxicos. No Brasil, há poucos trabalhos relacionando fertilização e qualidade dos produtos agrícolas, em termos de micronutrientes e metais pesados tóxicos. Neste contexto, no presente trabalho foram realizados quatro experimentos tendo como objetivos avaliar: 1) a eficiência de métodos de extração e de quantificação simultânea de micronutrientes e de metais pesados tóxicos em fertilizantes; 2) a influência da fertilização nos teores de micronutrientes e metais pesados tóxicos no solo, nos indicadores microbiológicos, nas atividades enzimáticas em plantas e na qualidade dos produtos agrícolas; 3) a variação genotípica para teor de Cd, micronutrientes e suas relações em 35 cultivares de arroz de terras altas do Brasil; 4) a influência do estado nutricional e genotípica nos teores de Cd e 70Zn no arroz. Quando se usa reagentes e água de alta pureza, a análise de metais pesados tóxicos em amostras de fertilizantes pode ser realizada por micro-ondas ou sistema aberto, sendo que as quantificações dos elementos por ICP-MS e ICP-AES produzem resultados semelhantes. Porém, na análise dos teores naturais de Cd, Cr e Pb apenas a quantificação por ICP-MS foi adequada. Nas condições deste trabalho, tanto os subprodutos e rocha fosfática quanto os fertilizantes foram capazes de fornecer nutrientes às plantas, sem causar aumentos excessivos de metais pesados tóxicos nos solos e nos produtos agrícolas. Os indicadores microbiológicos do solo e as atividades enzimáticas em plantas de alface reagiram positivamente à fertilização. Foram identificadas variedades de arroz de terras altas com baixo e alto teor de Cd nos grãos. Os teores de Fe, Zn e Se apresentaram relações inversas ao teor de Cd. Observou-se interação entre estado nutricional da planta e genótipo no teor de Cd em grãos de arroz de terras altas cultivado em solução nutritiva. Concluiu-se que, com manejo adequado, a fertilização aumenta a produtividade e melhorar qualidade dos produtos agrícolas para alimentação humana e animal / The presence of toxic heavy metals in fertilizers has been a big concern. It has been indicated as one of the obstacles to sustainable food production. On the other hand, there is a growing demand for better-quality products, with high micronutrient content and low malnutrition factors, such as toxic heavy metals. In Brazil there are scarce number of studies regarding fertilization and the quality of agricultural products for micronutrients and toxic heavy metals. In this context, the present study, involving four experiments, was conducted with the objectives: 1) to assess the efficiency of methods to extract and quantify micronutrients and toxic heavy metals in fertilizers; 2) to study the influence of fertilization on the levels of micronutrients and toxic heavy metals in agricultural products; 3) to evaluate the genotypic variation in response to the content of Cd, micronutrients and their relations in 35 upland rice cultivars from Brazil; and 4) to determine the influence of the nutritional status and genotype on the levels of Cd and 70Zn in rice plant. The results showed that with the use of reagents and water of high purity, toxic heavy metals can be extracted for analysis by microwave or an open air system, and that quantification of the elements by ICP-MS and ICP-AES yields similar results. However, for the analysis of natural contents of Cd, Cr and Pb only ICP-MS quantification was appropriate. Further, both by-products and phosphate rock, as fertilizers were able to supply nutrients to the plants without causing excessive increases of toxic heavy metals in soil and agricultural products. Microbiological soil indicators and enzyme activities in plants responded positively to fertilization. Furthermore, results also showed that there were upland rice cultivars with low and high Cd content in the grains, and the levels of Fe, Zn and Se showed inverse relations with the Cd content. There was an interaction between plants the nutritional status and genotype for Cd content in grains of upland rice cultivars. Based on the results, it can be concluded that with adequate management, fertilization can increase crop yields and improve the quality of agricultural products for human and animal consumption

A deficiência de vitamina A é um problema global de saúde pública que afeta especialmente crianças com menos de 5 anos, mulheres durante o parto e 1 ano pós-parto e é a principal causa de cegueira evitável em crianças. Biofortificação é uma estratégia que visa reduzir as deficiências de micronutrientes em populações vulneráveis ao redor do mundo através do aumento da concentração de nutrientes nos alimentos básicos. Investigou-se os efeitos de genótipos e estilos de cocção sobre o conteúdo, retenção e biodisponibilidade de ?-caroteno (?C) em mandiocas biofortificadas e batatas-doces de polpa laranja (BDPL). Cinco genótipos de mandioca biofortificada, três acessos parentais, e uma mandioca branca foram fornecidos por dois programas de melhoramento. Adicionalmente, foram avaliados dois genótipos de BDPL e duas marcas de alimentos infantis. Tanto as raízes de mandioca quanto de batatas-doces foram analisadas cruas, cozidas em água a 100°C, e fritas em óleo de soja a 180°C após cozimento. Os carotenoides foram extraídos e analisados por HPLC-DAD. A biodisponibilidade foi determinada utilizando a digestão oral, gástrica e duodenal in vitro e absorção por culturas celulares Caco-2. Somente o ?C foi detectado em todos os genótipos de mandioca, embora os teores tenham variado significativamente dependendo do genótipo. As mandiocas melhoradas continham pelo menos 10 vezes mais ?C do que a branca. O cozimento e a fritura foram associados com a perda e isomerização de ?C na mandioca bem como na BDPL. Houve interação significativa entre genótipo e processamento nos perfis e teores de ?C. Eficiência de micelarização do trans-?C nas mandiocas cozidas foi menor do que nas fritas. As mandiocas biofortificadas prontas para consumo podem fornecer até 28% da IDR de retinol. A absorção pelas células Caco-2 do trans-?C foi analisada em quatro genótipos. Dois deles não foram afetados pela cocção em relação à absorção celular, no entanto, os outros dois genótipos apresentaram aumento com a fritura. Com relação às batatas-doces, o trans-?C foi o principal carotenoide encontrado, embora também tenham sido identificados três isómeros do ?C e ?-caroteno em quantidades menores. O teor do trans-?C em um dos genótipos de BDPL foi duas vezes maior do que nos alimentos infantis. Nos alimentos infantis foi encontrada presença relativa de 13-cis-?C maior do que nas BDPLs. A eficiência de micelarização de trans-?C das batatas-doces foi considerada baixa, e não teve diferença com os processamentos. A absorção por Caco-2 não foi diferente para os genótipos de BDPL e alimentos infantis investigados. A quantidade intracelular acumulada de trans-?C foi proporcional à concentração do material inicial. Em resumo, as culturas biofortificadas estudadas podem aumentar a concentração de ?C na dieta. A mandioca frita apresenta mais ?C biodisponível do que ela cozida. Tanto o genótipo da mandioca quanto o tipo de processamento influenciam a absorção de trans-?C. Por outro lado, não foram encontradas evidências de que a redução de partículas, utilizada no alimento infantil, ofereça maior biodisponibilidade de beta-caroteno das BDPLs / Vitamin A deficiency is a world public health problem that affects especially infants, children less than 5 years of age, women during birthing and 1 year post-partum and is the primary cause of avoidable blindness in children. Biofortification is a strategy aimed at decreasing global micronutrient deficiencies in vulnerable populations by increasing the nutrient density in staple food crops. It was investigated the effects of genotype and cooking styles on the content, retention and bioavailability of ?-carotene (?C) in biofortified cassava and orange fleshed sweet-potatoes (OFSP). Five genotypes of biofortified cassava, three parental accessions, and one white cassava were provided by two different breeding programs. Additionally, two genotypes of OFSP and two brands of high processed baby foods were evaluated. Both cassava and OFSP roots were analyzed raw, after boiling in water at 100°C only or after subsequent frying in soybean oil at 180°C. Carotenoids were extracted and analyzed by HPLC-DAD. Bioavailability was assessed using an in vitro oral, gastric and small intestinal digestion coupled with the Caco-2 human intestinal cell model. Only ?C was detected in all tested genotypes of cassava root, although its content varied markedly depending on genotype. Biofortified genotypes contained at least 10-fold higher ?C than the white variety. Boiling and frying were associated with loss and isomerization of ?C in cassava as well as OFSP. There was an interaction of genotype and cooking style on profile of ?C contents. Efficiency of micellarization of trans-?C in boiled cassava was lower than in fried. Biofortified cassava ready to eat can provide up to 28% of the IDR of retinol. Uptake of trans-?C in micelles generated during digestion by Caco-2 cells was analyzed for the four of the five biofortified genotypes. Cell uptake of ?C from two genotypes were not affected by processing, however the other two genotypes had increased with frying. Regarding sweet-potatoes, trans-?C was the major carotenoid found, although it was identified three ?C isomers and ?-carotene in minimal quantities. The concentration of trans-?C in one genotype of OFSP was two times higher than baby foods and the other genotype. Baby foods had relative presence of the 13-cis-?C higher than in the OFSP. Efficiency of micellarization of trans-?C from cooked OFSP or Baby foods was considered low, and had no statistic differences between boiling and frying. The Caco-2 cells uptake were not different for the genotypes and baby foods investigated. The absolute amount of accumulated trans-?C intracellular was proportional to the concentration of the starting material. In summary, biofortified crops can increase ?C contents in diet. Fried cassava presents more bioavailable ?C than boiled. Cassava genotype and cooking style may influence uptake of trans-?C by absorptive intestinal cells. In contrast, there is no evidence that high processed OFSP has more bioavailability of ?C than homemade boiled or fried OFSP

O Zn é essencial para o metabolismo de plantas, animais e do ser humano. Existe a necessidade de buscar soluções para a baixa disponibilidade de Zn, frequente em solos do Brasil e do mundo, e de melhorar o valor nutricional dos grãos de cereais com este nutriente. O tratamento de sementes pode apresentar-se como uma importante técnica para o fornecimento de Zn na cultura do milho (Zea mays L.). Este estudo foi dividido em quatro capítulos, no primeiro, objetivou-se avaliar o potencial fisiológico de sementes de milho tratadas com Zn durante o armazenamento; no segundo, avaliou-se a distribuição do Zn em sementes tratadas durante o armazenamento das sementes por 6 e 12 meses, bem como a absorção do Zn por plântulas; no terceiro capítulo, foram avaliados os reflexos do tratamento de sementes com Zn sobre a produção de biomassa, rendimento e valor nutricional dos grãos e, por fim, no quarto capítulo, determinou-se, pelo uso da marcação do óxido de Zn com o nuclídeo 68Zn, a absorção do Zn pela planta, utilizando o método isotópico. Os resultados demonstram que o tratamento de sementes pode incrementar o vigor das plântulas provenientes de sementes com baixo potencial fisiológico; entretanto, em condições de armazenamento com temperatura e umidade relativa do ar não controladas, plântulas provenientes de sementes maiores tratadas, armazenadas por 12 meses nessas condições, podem apresentar fitotoxicidade, em função do tratamento. O Zn disponibilizado em revestimento, durante o armazenamento das sementes tratadas por 6 e 12 meses, sob condições não controladas, pode penetrar no pericarpo das sementes e encontrar-se acumulado em pontos específicos da semente. O ponto de maior acúmulo de Zn nas sementes é o embrião, acima da camada negra. Quanto à absorção do Zn disponibilizado via tratamento por plântulas, após horas 72 horas de as sementes terem sido colocadas para germinar, são visíveis os pontos de acúmulo do Zn na raiz primária, evidenciando que tecidos meristemáticos possuem alta demanda pelo elemento. O tratamento de sementes com Zn não propiciou aumento da biomassa da planta, rendimento dos grãos, acúmulo de Zn nas plantas e concentração de Zn nos grãos. Apesar desse resultado, o Zn disponibilizado via tratamento de sementes contribui de forma significativa para a nutrição das plantas de milho, conforme se avaliou por meio da marcação isotópica. / Zn is essential to the metabolism of plants, animals and human being. There is the need for solutions regarding the low availability of Zn, frequent on soils of Brazil and of the world, and for improving the nutritional value of grains with this nutrient. Treatment of seeds may present as an important technique for the provision of Zn in the corn culture (Zea mays L.). This study is organized in four chapters, in the first one, the objective is to determine the physiological potential of corn seeds treated with Zn during storage; in the second, the Zn distribution in seeds treated during storage for 6 and 12 months was analyzed, as well as the Zn absorption by plantules; in the third chapter, reflexes of the treatment of seeds with Zn over the production of biomass were evaluated and, lastly, the fourth chapter aims at determining the absorption of Zn by the plant, using the isotope method and marking zinc oxide with the 68Zn nuclide. Results showed that the treatment of the seeds may improve the vigor of plantules coming from seeds with low physiological potential; however, treated plantules coming from bigger seeds, stored for 12 months in uncontrolled conditions of temperature and relative humidity may present phytotoxicity because of the treatment. Zn made available in form of coating, during storage of seeds treated for 6 and 12 months, in uncontrolled conditions, may penetrate the pericarp of seeds and accumulate on specific spots. The biggest Zn accumulation spot Zn in seeds is the embryo, above the black layer. Regarding the absorption of Zn by the plantules made available via treatment, after 72 hours seeds germinated, accumulation spots of Zn in the primary root are visible, showing that the meristematic tissues have a high demand for the element. The treatment of seeds with Zn did not favor increase in the biomass of the plant, grain yield, accumulation of Zn in plants and concentration of Zn in grains. Despite this result, Zn made available via treatment of seeds contributes significantly for the nutrition of corn plants, as evaluated using isotope marking.

A deficiência de vitamina A é um problema global de saúde pública que afeta especialmente crianças com menos de 5 anos, mulheres durante o parto e 1 ano pós-parto e é a principal causa de cegueira evitável em crianças. Biofortificação é uma estratégia que visa reduzir as deficiências de micronutrientes em populações vulneráveis ao redor do mundo através do aumento da concentração de nutrientes nos alimentos básicos. Investigou-se os efeitos de genótipos e estilos de cocção sobre o conteúdo, retenção e biodisponibilidade de ?-caroteno (?C) em mandiocas biofortificadas e batatas-doces de polpa laranja (BDPL). Cinco genótipos de mandioca biofortificada, três acessos parentais, e uma mandioca branca foram fornecidos por dois programas de melhoramento. Adicionalmente, foram avaliados dois genótipos de BDPL e duas marcas de alimentos infantis. Tanto as raízes de mandioca quanto de batatas-doces foram analisadas cruas, cozidas em água a 100°C, e fritas em óleo de soja a 180°C após cozimento. Os carotenoides foram extraídos e analisados por HPLC-DAD. A biodisponibilidade foi determinada utilizando a digestão oral, gástrica e duodenal in vitro e absorção por culturas celulares Caco-2. Somente o ?C foi detectado em todos os genótipos de mandioca, embora os teores tenham variado significativamente dependendo do genótipo. As mandiocas melhoradas continham pelo menos 10 vezes mais ?C do que a branca. O cozimento e a fritura foram associados com a perda e isomerização de ?C na mandioca bem como na BDPL. Houve interação significativa entre genótipo e processamento nos perfis e teores de ?C. Eficiência de micelarização do trans-?C nas mandiocas cozidas foi menor do que nas fritas. As mandiocas biofortificadas prontas para consumo podem fornecer até 28% da IDR de retinol. A absorção pelas células Caco-2 do trans-?C foi analisada em quatro genótipos. Dois deles não foram afetados pela cocção em relação à absorção celular, no entanto, os outros dois genótipos apresentaram aumento com a fritura. Com relação às batatas-doces, o trans-?C foi o principal carotenoide encontrado, embora também tenham sido identificados três isómeros do ?C e ?-caroteno em quantidades menores. O teor do trans-?C em um dos genótipos de BDPL foi duas vezes maior do que nos alimentos infantis. Nos alimentos infantis foi encontrada presença relativa de 13-cis-?C maior do que nas BDPLs. A eficiência de micelarização de trans-?C das batatas-doces foi considerada baixa, e não teve diferença com os processamentos. A absorção por Caco-2 não foi diferente para os genótipos de BDPL e alimentos infantis investigados. A quantidade intracelular acumulada de trans-?C foi proporcional à concentração do material inicial. Em resumo, as culturas biofortificadas estudadas podem aumentar a concentração de ?C na dieta. A mandioca frita apresenta mais ?C biodisponível do que ela cozida. Tanto o genótipo da mandioca quanto o tipo de processamento influenciam a absorção de trans-?C. Por outro lado, não foram encontradas evidências de que a redução de partículas, utilizada no alimento infantil, ofereça maior biodisponibilidade de beta-caroteno das BDPLs / Vitamin A deficiency is a world public health problem that affects especially infants, children less than 5 years of age, women during birthing and 1 year post-partum and is the primary cause of avoidable blindness in children. Biofortification is a strategy aimed at decreasing global micronutrient deficiencies in vulnerable populations by increasing the nutrient density in staple food crops. It was investigated the effects of genotype and cooking styles on the content, retention and bioavailability of ?-carotene (?C) in biofortified cassava and orange fleshed sweet-potatoes (OFSP). Five genotypes of biofortified cassava, three parental accessions, and one white cassava were provided by two different breeding programs. Additionally, two genotypes of OFSP and two brands of high processed baby foods were evaluated. Both cassava and OFSP roots were analyzed raw, after boiling in water at 100°C only or after subsequent frying in soybean oil at 180°C. Carotenoids were extracted and analyzed by HPLC-DAD. Bioavailability was assessed using an in vitro oral, gastric and small intestinal digestion coupled with the Caco-2 human intestinal cell model. Only ?C was detected in all tested genotypes of cassava root, although its content varied markedly depending on genotype. Biofortified genotypes contained at least 10-fold higher ?C than the white variety. Boiling and frying were associated with loss and isomerization of ?C in cassava as well as OFSP. There was an interaction of genotype and cooking style on profile of ?C contents. Efficiency of micellarization of trans-?C in boiled cassava was lower than in fried. Biofortified cassava ready to eat can provide up to 28% of the IDR of retinol. Uptake of trans-?C in micelles generated during digestion by Caco-2 cells was analyzed for the four of the five biofortified genotypes. Cell uptake of ?C from two genotypes were not affected by processing, however the other two genotypes had increased with frying. Regarding sweet-potatoes, trans-?C was the major carotenoid found, although it was identified three ?C isomers and ?-carotene in minimal quantities. The concentration of trans-?C in one genotype of OFSP was two times higher than baby foods and the other genotype. Baby foods had relative presence of the 13-cis-?C higher than in the OFSP. Efficiency of micellarization of trans-?C from cooked OFSP or Baby foods was considered low, and had no statistic differences between boiling and frying. The Caco-2 cells uptake were not different for the genotypes and baby foods investigated. The absolute amount of accumulated trans-?C intracellular was proportional to the concentration of the starting material. In summary, biofortified crops can increase ?C contents in diet. Fried cassava presents more bioavailable ?C than boiled. Cassava genotype and cooking style may influence uptake of trans-?C by absorptive intestinal cells. In contrast, there is no evidence that high processed OFSP has more bioavailability of ?C than homemade boiled or fried OFSP

Submitted by VÍCTOR MANUEL VERGARA CARMONA null (vivergara66@gmail.com) on 2018-04-07T21:59:59Z No. of bitstreams: 1 Tese Victor Manuel Vergara Carmona.pdf: 974203 bytes, checksum: 73decf6b74da403d5b43321485d373a0 (MD5) / Approved for entry into archive by Alexandra Maria Donadon Lusser Segali null (alexmar@fcav.unesp.br) on 2018-04-09T17:59:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 carmona_vmv_dr_jabo.pdf: 974203 bytes, checksum: 73decf6b74da403d5b43321485d373a0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-09T17:59:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 carmona_vmv_dr_jabo.pdf: 974203 bytes, checksum: 73decf6b74da403d5b43321485d373a0 (MD5) Previous issue date: 2018-02-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A deficiência de zinco (Zn) afeta à população mundial há muito tempo e, apesar dos esforços realizados, o problema ainda não tem sido resolvido. Dessa forma, o incremento de Zn em hortaliças pode contribuir à diminuição do consumo inadequado do micronutriente. Assim, objetivou-se avaliar o efeito do condicionamento osmótico com Zn sobre o aumento do teor do micronutriente em batata e beterraba. Para isto, tubérculos de batata foram condicionados em soluções com 0, 10, 20 e 30 mg mL-1 Zn (como sulfato) durante 12, 16, 20 e 24 horas, enquanto para utrículos de beterraba utilizaram-se concentrações de 0, 10 e 30 mg mL-1 Zn, como sulfato e cloreto, durante 12, 16, 20 e 24 horas e, posteriormente, cultivados em casa de vegetação em duas épocas diferentes (primavera de 2015 e outono-inverno de 2016). Em batata houve incremento do teor e biodisponibilidade de Zn nos tubérculos, principalmente, em função da concentração do micronutriente em solução, sendo que com 10 mg mL-1 Zn e 12 horas de condicionamento conseguiu-se substancial fortificação. Em beterraba, todas as características avaliadas nas plantas foram melhoradas com a presença de Zn em solução, principalmente como sulfato, sendo obtido com 30 mg mL-1 Zn maior teor de Zn na raiz, enquanto o tempo influenciou somente características de crescimento, sendo 16 horas o tratamento mais recomendável. Portanto, conclui-se que o condicionamento osmótico com Zn apresenta potencial para ser utilizada em programas de biofortificação agronômica dessas hortaliças. / Zinc (Zn) deficiency has affected the world's population for a long time, and despite the efforts made, the problem has not yet been resolved. Thus, the increase of Zn in vegetables can contribute to the reduction of inadequate micronutrient consumption. Thus, the objective of this study was to evaluate the effect of Zn priming on the increase of micronutrient content in potato and beet. For this, potato tubers were primed in solutions with 0, 10, 20 and 30 mg mL-1 Zn (as sulfate) for 12, 16, 20 and 24 hours, while for beet utricles were used concentrations of 0, 10 and 30 mg mL-1 Zn, as sulfate and chloride, for 12, 16, 20 and 24 hours and then grown in a greenhouse at two different times (spring 2015 and autumn-winter 2016). In potato there was increase in the content and bioavailability of Zn in the tubers, mainly as a function of the concentration of the micronutrient in solution, and with 10 mg mL-1 Zn and 12 hours of priming a substantial fortification was achieved. In beet, all characteristics evaluated in the plants were improved with the presence of Zn in solution, mainly as sulfate, being obtained with 30 mg mL-1 Zn higher Zn content in the root, whereas the time influenced only growth characteristics, being 16 hours the most recommended treatment. Therefore, it is concluded that the Zn priming presents potential to be used in programs of agronomic biofortification of these vegetables.

A presença de metais pesados tóxicos em fertilizantes tem sido motivo de preocupação e apontada como um dos obstáculos à produção sustentável de alimentos. Por outro lado, há uma crescente busca por produtos agrícolas de melhor qualidade, com maior teor de micronutrientes e menos fatores antinutricionais, como os metais pesados tóxicos. No Brasil, há poucos trabalhos relacionando fertilização e qualidade dos produtos agrícolas, em termos de micronutrientes e metais pesados tóxicos. Neste contexto, no presente trabalho foram realizados quatro experimentos tendo como objetivos avaliar: 1) a eficiência de métodos de extração e de quantificação simultânea de micronutrientes e de metais pesados tóxicos em fertilizantes; 2) a influência da fertilização nos teores de micronutrientes e metais pesados tóxicos no solo, nos indicadores microbiológicos, nas atividades enzimáticas em plantas e na qualidade dos produtos agrícolas; 3) a variação genotípica para teor de Cd, micronutrientes e suas relações em 35 cultivares de arroz de terras altas do Brasil; 4) a influência do estado nutricional e genotípica nos teores de Cd e 70Zn no arroz. Quando se usa reagentes e água de alta pureza, a análise de metais pesados tóxicos em amostras de fertilizantes pode ser realizada por micro-ondas ou sistema aberto, sendo que as quantificações dos elementos por ICP-MS e ICP-AES produzem resultados semelhantes. Porém, na análise dos teores naturais de Cd, Cr e Pb apenas a quantificação por ICP-MS foi adequada. Nas condições deste trabalho, tanto os subprodutos e rocha fosfática quanto os fertilizantes foram capazes de fornecer nutrientes às plantas, sem causar aumentos excessivos de metais pesados tóxicos nos solos e nos produtos agrícolas. Os indicadores microbiológicos do solo e as atividades enzimáticas em plantas de alface reagiram positivamente à fertilização. Foram identificadas variedades de arroz de terras altas com baixo e alto teor de Cd nos grãos. Os teores de Fe, Zn e Se apresentaram relações inversas ao teor de Cd. Observou-se interação entre estado nutricional da planta e genótipo no teor de Cd em grãos de arroz de terras altas cultivado em solução nutritiva. Concluiu-se que, com manejo adequado, a fertilização aumenta a produtividade e melhorar qualidade dos produtos agrícolas para alimentação humana e animal / The presence of toxic heavy metals in fertilizers has been a big concern. It has been indicated as one of the obstacles to sustainable food production. On the other hand, there is a growing demand for better-quality products, with high micronutrient content and low malnutrition factors, such as toxic heavy metals. In Brazil there are scarce number of studies regarding fertilization and the quality of agricultural products for micronutrients and toxic heavy metals. In this context, the present study, involving four experiments, was conducted with the objectives: 1) to assess the efficiency of methods to extract and quantify micronutrients and toxic heavy metals in fertilizers; 2) to study the influence of fertilization on the levels of micronutrients and toxic heavy metals in agricultural products; 3) to evaluate the genotypic variation in response to the content of Cd, micronutrients and their relations in 35 upland rice cultivars from Brazil; and 4) to determine the influence of the nutritional status and genotype on the levels of Cd and 70Zn in rice plant. The results showed that with the use of reagents and water of high purity, toxic heavy metals can be extracted for analysis by microwave or an open air system, and that quantification of the elements by ICP-MS and ICP-AES yields similar results. However, for the analysis of natural contents of Cd, Cr and Pb only ICP-MS quantification was appropriate. Further, both by-products and phosphate rock, as fertilizers were able to supply nutrients to the plants without causing excessive increases of toxic heavy metals in soil and agricultural products. Microbiological soil indicators and enzyme activities in plants responded positively to fertilization. Furthermore, results also showed that there were upland rice cultivars with low and high Cd content in the grains, and the levels of Fe, Zn and Se showed inverse relations with the Cd content. There was an interaction between plants the nutritional status and genotype for Cd content in grains of upland rice cultivars. Based on the results, it can be concluded that with adequate management, fertilization can increase crop yields and improve the quality of agricultural products for human and animal consumption

O Zn é essencial para o metabolismo de plantas, animais e do ser humano. Existe a necessidade de buscar soluções para a baixa disponibilidade de Zn, frequente em solos do Brasil e do mundo, e de melhorar o valor nutricional dos grãos de cereais com este nutriente. O tratamento de sementes pode apresentar-se como uma importante técnica para o fornecimento de Zn na cultura do milho (Zea mays L.). Este estudo foi dividido em quatro capítulos, no primeiro, objetivou-se avaliar o potencial fisiológico de sementes de milho tratadas com Zn durante o armazenamento; no segundo, avaliou-se a distribuição do Zn em sementes tratadas durante o armazenamento das sementes por 6 e 12 meses, bem como a absorção do Zn por plântulas; no terceiro capítulo, foram avaliados os reflexos do tratamento de sementes com Zn sobre a produção de biomassa, rendimento e valor nutricional dos grãos e, por fim, no quarto capítulo, determinou-se, pelo uso da marcação do óxido de Zn com o nuclídeo 68Zn, a absorção do Zn pela planta, utilizando o método isotópico. Os resultados demonstram que o tratamento de sementes pode incrementar o vigor das plântulas provenientes de sementes com baixo potencial fisiológico; entretanto, em condições de armazenamento com temperatura e umidade relativa do ar não controladas, plântulas provenientes de sementes maiores tratadas, armazenadas por 12 meses nessas condições, podem apresentar fitotoxicidade, em função do tratamento. O Zn disponibilizado em revestimento, durante o armazenamento das sementes tratadas por 6 e 12 meses, sob condições não controladas, pode penetrar no pericarpo das sementes e encontrar-se acumulado em pontos específicos da semente. O ponto de maior acúmulo de Zn nas sementes é o embrião, acima da camada negra. Quanto à absorção do Zn disponibilizado via tratamento por plântulas, após horas 72 horas de as sementes terem sido colocadas para germinar, são visíveis os pontos de acúmulo do Zn na raiz primária, evidenciando que tecidos meristemáticos possuem alta demanda pelo elemento. O tratamento de sementes com Zn não propiciou aumento da biomassa da planta, rendimento dos grãos, acúmulo de Zn nas plantas e concentração de Zn nos grãos. Apesar desse resultado, o Zn disponibilizado via tratamento de sementes contribui de forma significativa para a nutrição das plantas de milho, conforme se avaliou por meio da marcação isotópica. / Zn is essential to the metabolism of plants, animals and human being. There is the need for solutions regarding the low availability of Zn, frequent on soils of Brazil and of the world, and for improving the nutritional value of grains with this nutrient. Treatment of seeds may present as an important technique for the provision of Zn in the corn culture (Zea mays L.). This study is organized in four chapters, in the first one, the objective is to determine the physiological potential of corn seeds treated with Zn during storage; in the second, the Zn distribution in seeds treated during storage for 6 and 12 months was analyzed, as well as the Zn absorption by plantules; in the third chapter, reflexes of the treatment of seeds with Zn over the production of biomass were evaluated and, lastly, the fourth chapter aims at determining the absorption of Zn by the plant, using the isotope method and marking zinc oxide with the 68Zn nuclide. Results showed that the treatment of the seeds may improve the vigor of plantules coming from seeds with low physiological potential; however, treated plantules coming from bigger seeds, stored for 12 months in uncontrolled conditions of temperature and relative humidity may present phytotoxicity because of the treatment. Zn made available in form of coating, during storage of seeds treated for 6 and 12 months, in uncontrolled conditions, may penetrate the pericarp of seeds and accumulate on specific spots. The biggest Zn accumulation spot Zn in seeds is the embryo, above the black layer. Regarding the absorption of Zn by the plantules made available via treatment, after 72 hours seeds germinated, accumulation spots of Zn in the primary root are visible, showing that the meristematic tissues have a high demand for the element. The treatment of seeds with Zn did not favor increase in the biomass of the plant, grain yield, accumulation of Zn in plants and concentration of Zn in grains. Despite this result, Zn made available via treatment of seeds contributes significantly for the nutrition of corn plants, as evaluated using isotope marking.

Mitglieder der CCC1 like Proteinfamilie sind Metalltransportproteine und Homologe zum vakuolären Eisen- und Mangantransporter CCC1 aus S. cerevisiae. VIT1-Homologe als CCC1-like Proteine pflanzlicher Herkunft können eine Anwendung in der Eisen-Biofortifikation finden. Bei der Überexprimierung von TaVIT2 in Weizen wurde von der 4 fachen Erhöhung des Eisen- und Mangangehalts im Mehl berichtet (Connorton et al., 2017). Die Überexprimierung von OsVIT1 oder OsVIT2 in Reis hat zur Erhöhung sowohl vom Eisengehalt als auch von Zink- und Mangangehältern geführt (Zhang et al., 2012). In dieser Arbeit wurden 6 CCC1-like Proteine aus A. thaliana bezüglich ihrer Substratspezifität untersucht. VIT1 und fünf VIT-Like Proteine (VTLs) wurden an ihren N- und C Termini modifiziert und im Hefekomplementationsverfahren auf ihre Fähigkeit Eisen, Mangan oder Zink zu transportieren untersucht. Ein einfacher Algorithmus zur Modifizierung von Membranproteinen durch Entfernung mehrerer AS-Reste vom N- bzw. vom C-Terminus ist beschrieben. Es sollte untersucht werden, ob diese Modifizierung einen Einfluss auf die Hefekomplementation hat. Native und modifizierte VTLs wurden mittels GFP-Fusion in den Zelllokalisierungsstudien untersucht. Es sollte festgestellt werden, ob Modifikationen die Zelllokalisierung beeinflussen. Eine Lokalisierung an der Vakuolenmembran wurde für VIT1, VTL1-4 und für einige modifizierte VTL4-Konstrukte nachgewiesen. Dagegen zeigte das VTL5-Konstrukt vorwiegend eine Plasmamembranlokalisierung. Die Entfernung von 21 AS vom N Terminus von VTL4 bzw. von 23 AS vom N-Terminus von VIT1 hatten keinen Effekt auf die Komplementation der Δccc1 Mutante. Dagegen zeigten die entsprechenden Konstrukte keine Komplementation der Δpmr1 Mutante. Es wurden modifizierte Konstrukte von AtVIT1 und AtVTL4 gefunden, die nicht in der Lage waren Mangan und Zink zu transportieren und dadurch für Eisen spezifisch gewesen wären. Diese wären gute Kandidaten für eine eisenselektive Biofortifikation. / CCC1 like protein family are metal transport proteins with high homology to the S. cerevisiae vacuolar iron and manganese transporter CCC1. The plant members of this family such as VIT1-homologue might find an application in iron biofortification of crops. An almost 4-fold increase in the iron content in flour of TaVIT2 overexpressing wheat was demonstrated (Connorton et al., 2017), but the overexpressing plants showed a significant increase in manganese content as well. OsVIT1 or OsVIT2 overexpressing in rice (Zhang et al., 2012) lead to increased iron, zinc and manganese. In this thesis six member of A. thaliana CCC1-like proteins were investigated for their substrate specificity. VIT1 itself and five other VIT1-like proteins (called VTLs) were modified at their N- and C-termini and investigated for iron, manganese and zinc transport capacity via a yeast complementation assay. A simple algorithm to modify membrane proteins by removing AA rests from their N- and / or C-terminal regions is presented, and the effects of these modifications on the functionality of the modified protein by the yeast complementation test are reported. The cell localization of native and modified VTLs was studied using fusion to GFP to determine if modifications would alter the subcellular localization in yeast. VTL1-4 as well as VIT1 were localized to the vacuolar membrane of yeast cell. VTL5 was predominantly localized to the plasma membrane of the yeast cell. Some modified VTL4 constructs could still be localised to the vacuolar membrane. Removal of 21 AA from the N-terminus of AtVTL4 as well as removal of 23 AA from the N-terminus of AtVIT1 didn't affect the complementation of the Δccc1 mutant. In contrast no complementation of Δpmr1 mutant was seen with the same constructs. Certain modified forms of AtVIT1 and AtVTL4 were unable to transport either manganese or zinc. We propose that they might be iron-specific, and thus would be candidates for a selective iron biofortification.