Submitted by LUÍS FELIPE DAIBES DE ANDRADE null (luipedaibes@hotmail.com) on 2017-12-09T19:13:02Z No. of bitstreams: 1 TeseVersaoFinal_LFD.pdf: 4542971 bytes, checksum: dc820c668f873e34980831a5f5f98979 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Aparecida Puerta null (dripuerta@rc.unesp.br) on 2017-12-11T16:56:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 andrade_lfd_dr_rcla.pdf: 4542971 bytes, checksum: dc820c668f873e34980831a5f5f98979 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-11T16:56:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 andrade_lfd_dr_rcla.pdf: 4542971 bytes, checksum: dc820c668f873e34980831a5f5f98979 (MD5) Previous issue date: 2017-12-01 / Outra / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / O fogo é o principal distúrbio em diversas vegetações ao redor do mundo, denominadas ecossistemas inflamáveis. Neste contexto, muitas espécies possuem estratégias de regeneração e colonização do ambiente pós-fogo, o que tipicamente envolve a sobrevivência (tolerância) das sementes e/ou quebra da dormência. Em especial, muitas sementes de leguminosas possuem o tegumento impermeável (dormência física), que pode ser rompido por meio de choques térmicos relacionados ao fogo. Outro fator que pode auxiliar no processo de quebra da dormência física é a flutuação térmica no solo, cuja amplitude é aumentada nas clareiras formadas pela remoção da vegetação durante a queima. Ambos os fatores, fogo e flutuação térmica, são relativamente bem estudados nos ecossistemas inflamáveis da Austrália e em vegetações Mediterrâneas. Por outro lado, os padrões relacionados à quebra da dormência e germinação das sementes ainda são controversos e menos conhecidos nas savanas tropicais da África e da América do Sul. Assim, esta Tese de doutorado teve como objetivo avaliar o papel do fogo na germinação e sobrevivência das sementes de leguminosas do Cerrado. Para tanto, realizamos tratamentos em campo, incluindo queimas experimentais, e também aplicamos tratamentos no laboratório, simulando a flutuação térmica nas clareiras e a passagem do fogo (choques térmicos). Após os tratamentos, observamos a germinação em condições ótimas, fazendo contagens três vezes por semana, e realizamos testes de viabilidade ao final de 30 dias dos experimentos. As análises estatísticas consistiram basicamente em GLMMs com distribuição binomial, considerando as réplicas como efeitos aleatórios. Os resultados apontam que as sementes morrem quando diretamente expostas ao fogo na superfície do solo. Por outro lado, há uma maior probabilidade de sobrevivência quando as sementes estão localizadas em clareiras (gaps) da vegetação. Nos gaps, a maior porcentagem de solo nu proporciona temperaturas do fogo mais amenas, queimando por menos tempo. Quando enterradas 1-cm sob o solo, as sementes sempre sobrevivem e pode haver quebra de dormência. A flutuação térmica também pode quebrar uma proporção significativa da dormência em condições de campo, especialmente em Mimosa leiocephala. Em laboratório, ao contrário do esperado, não há quebra da dormência, indicando que a flutuação térmica em si não consiste um mecanismo para quebra da dormência física em espécies do Cerrado. Nos choques térmicos, poucas espécies (seis de 46) apresentaram quebra da dormência. Observamos também que a mortalidade das sementes está relacionada a um trade-off entre forma de crescimento, tamanho das sementes e presença de dormência. Isso se deve ao tamanho pequeno das sementes de arbustos, que a despeito de tipicamente ocorrerem em savana aberta, podem morrer sob condições severas dos choques térmicos, mais do que as espécies arbóreas. Dentre as espécies arbóreas, a filogenia influencia no tamanho e, consequentemente, na mortalidade das sementes frente ao fogo. Concluímos que a germinação das sementes não está diretamente ligada à presença do fogo no mosaico Cerrado-floresta, contrastando com os padrões reconhecidos para outros ecossistemas inflamáveis. / Fire is the principal disturbance in several vegetation types around the world, being called flammable ecosystems. In this context, many species have strategies to regenerate and colonize the post-fire environment, which typically involve seed survival (tolerance) and/or breaking of dormancy. In special, legume seeds usually have an impermeable seed coat (physical dormancy), which may be disrupted by fire-related heat shocks. Another factor that can help in the process of dormancy-breaking is the temperature fluctuation in the soil, which amplitude is increased in gaps formed by the removal of vegetation as a result of the passage of fire. Both factors, fire and temperature fluctuation, are relatively well studied in flammable ecosystems from Australia and Mediterranean vegetation. On the other hand, the patterns related to dormancy-breaking and seed germination are still controversial and less known in tropical savannas from Africa and South America. Therefore, this doctoral Thesis has aimed to evaluate the role of fire on germination and survival of legume seeds from Cerrado. Therefore, we conducted experiments in the field, including experimental burning, and also applied treatments in the laboratory, simulating temperature fluctuation in the gaps and fire passage (heat shocks). After the treatments, we observed germination under optimal conditions, making counting three times a week, and accomplishing viability tests by the end of 30 days of the experiment. The statistical analyses basically consisted on GLMMS with binomial distribution, considering replicates as random effects. Results pointed that seeds die when directly exposed to fire in the soil surface. On the other hand, there is a higher probability of survival when seeds are placed in vegetation gaps. In the gaps, the higher percentage of bare soil provides milder fire temperatures, lasting for less time. When buried at 1-cm belowground, seeds always survive and dormancy-breaking may occur. Temperature fluctuation can also break a significant proportion of dormancy under field conditions, especially for Mimosa leiocephala. In the laboratory, there is no dormancy-breaking, showing that temperature fluctuation itself might not be a mechanism for physical dormancy-breaking in Cerrado species. When heat shocks were applied, six out of 46 species showed dormancy-breaking. We also observed that seed mortality is related to a trade-off between growth-form, seed size and the presence of dormancy. This is due to the small size of seeds from shrubs, that although typically occurring in the open savannas, they might die under severe conditions of temperatures. Among the tree species, phylogeny influences on size and, consequently, mortality of seeds in face to fire. We concluded that seed germination is not directly linked to the presence of fire in the Cerrado-forest mosaic, contrasting to the patterns recognized for other flammable ecosystems. / Fundação Grupo Boticário 0153_2011_PR / FAPESP 2015/06743-0 / CAPES/PDSE 88881.131702/2016-01 / CNPq 455183/2014-7

O problema do folding de proteínas tem sido investigado intensamente há mais de sessenta anos. Entretanto ainda não é encontrado na literatura um modelo que seja capaz de explicar plenamente qual é o mecanismo responsável pelo processo de folding. Neste contexto, a presente tese de doutorado é uma proposta minimalista para investigar o papel de um código estereoquímico, que é centrado no efeito hidrofóbico e nos vínculos estéricos dos aminoácidos (o modelo estereoquímico), no processo em pauta. Esse modelo quando combinado com um método para incluir a flutuação térmica local no sistema cadeia protéica-solvente, possibilita a investigação de um dos aspectos mais extraordinários do problema, a saber, a rapidez do processo de folding, considerado aqui por meio da correlação entre a complexidade da estrutura nativa (alvo) e a taxa de folding. Esse método é motivado por argumentos físico-químicos e biológicos, e é fundamentado na Mecânica Estatística Não Extensiva, via o uso do peso de Tsallis em simulações Monte Carlo (MC). O tempo característico de folding (obtido daquelas simulações e utilizado aqui como um parâmetro analítico do problema), cobre várias ordens de grandeza para cadeias com o mesmo tamanho. Dois conjuntos principais de simulações foram considerados com a finalidade de análise: (i) alguns alvos foram especialmente selecionados e submetidos a simulações MC a várias temperaturas T do reservatório térmico (o meio solvente); e (ii) um total de duzentos alvos com topologias diversas foram submetidos a simulações à mesma temperatura T = 1 (unidades arbitrárias). Com essas simulações foi possível verificar comparativamente o efeito dos dois pesos estatísticos, o de Boltzmann e o de Tsallis, sobre a cinética do processo de folding, e assim revelar comportamentos intrigantes, porém consistentes com o fenômeno focado, como a robustez do processo de folding e , este último emergindo como uma grandeza que depende da complexidade da estrutura nativa. Para estruturas distintas, cobre quatro ordens de grandeza. Os resultados da investigação da correlação entre e parâmetros globais destinados a avaliar a complexidade da topologia da estrutura nativa, como a ordem de contato e a cooperatividade estrutural, corroboram com a noção de que a rapidez do processo de folding é determinada fundamentalmente pela complexidade da topologia da estrutura nativa. / The protein folding problem has been investigated for more than sixty years. However is not yet found in literature a model that is able to fully explain the mechanism behind the folding process. In this context, the present doctoral thesis is a speculative and minimalist proposal to investigate the role of a stereochemical code -grounded in the hydrophobic effect and steric constraints of amino acids (the stereochemical model), in the discussed process. This model, when combined with a method to include local thermal fluctuations in the protein chain-solvent system, enables the investigation of one of the most extraordinary aspects of the problem, namely, the fastness of the folding process, which is studied here by means of the correlation between the complexity of the native structure (target) and the folding process rate. This method is motivated by physical chemistry and biological arguments, and is based on the Nonextensive Statistical Mechanics, by the use of the Tsallis weight in Monte Carlo simulations (MC), where the entropic index q is adjusted at each new conformation of the protein chain. For chains with the same length, the characteristic folding time (estimated from those simulations and used here as an analytical parameter of the problem) span several order of magnitude. Two main sets of simulations were performed for analysis purposes. First, some targets were specially selected and submitted to MC simulations with several temperatures of the thermal reservoir (the solvent), and then a total of two hundred targets with diverse topologies were submitted to simulations with the same reservoir temperature T = 1 (arbitrary units). With such set of simulations, we could compare the effect of two statistical weights, namely the Boltzmann and the Tsallis weight, on the kinetics of the folding process. Intriguing but consistent behavior with respect to the folding phenomenon was reveled, such as the robustness of the process, and about the characteristic folding time , which emerges as an amount that depends on the complexity of the native structure. For distinct structures, covers four orders of magnitude. Our results about the correlation between and global parameters to assess the complexity of the topology of the native structure, such as contact order and structural cooperativity, support the notion that the fastness of the folding process is essentially determined by the complexity of the topology of native structure.

O problema do folding de proteínas tem sido investigado intensamente há mais de sessenta anos. Entretanto ainda não é encontrado na literatura um modelo que seja capaz de explicar plenamente qual é o mecanismo responsável pelo processo de folding. Neste contexto, a presente tese de doutorado é uma proposta minimalista para investigar o papel de um código estereoquímico, que é centrado no efeito hidrofóbico e nos vínculos estéricos dos aminoácidos (o modelo estereoquímico), no processo em pauta. Esse modelo quando combinado com um método para incluir a flutuação térmica local no sistema cadeia protéica-solvente, possibilita a investigação de um dos aspectos mais extraordinários do problema, a saber, a rapidez do processo de folding, considerado aqui por meio da correlação entre a complexidade da estrutura nativa (alvo) e a taxa de folding. Esse método é motivado por argumentos físico-químicos e biológicos, e é fundamentado na Mecânica Estatística Não Extensiva, via o uso do peso de Tsallis em simulações Monte Carlo (MC). O tempo característico de folding (obtido daquelas simulações e utilizado aqui como um parâmetro analítico do problema), cobre várias ordens de grandeza para cadeias com o mesmo tamanho. Dois conjuntos principais de simulações foram considerados com a finalidade de análise: (i) alguns alvos foram especialmente selecionados e submetidos a simulações MC a várias temperaturas T do reservatório térmico (o meio solvente); e (ii) um total de duzentos alvos com topologias diversas foram submetidos a simulações à mesma temperatura T = 1 (unidades arbitrárias). Com essas simulações foi possível verificar comparativamente o efeito dos dois pesos estatísticos, o de Boltzmann e o de Tsallis, sobre a cinética do processo de folding, e assim revelar comportamentos intrigantes, porém consistentes com o fenômeno focado, como a robustez do processo de folding e , este último emergindo como uma grandeza que depende da complexidade da estrutura nativa. Para estruturas distintas, cobre quatro ordens de grandeza. Os resultados da investigação da correlação entre e parâmetros globais destinados a avaliar a complexidade da topologia da estrutura nativa, como a ordem de contato e a cooperatividade estrutural, corroboram com a noção de que a rapidez do processo de folding é determinada fundamentalmente pela complexidade da topologia da estrutura nativa. / The protein folding problem has been investigated for more than sixty years. However is not yet found in literature a model that is able to fully explain the mechanism behind the folding process. In this context, the present doctoral thesis is a speculative and minimalist proposal to investigate the role of a stereochemical code -grounded in the hydrophobic effect and steric constraints of amino acids (the stereochemical model), in the discussed process. This model, when combined with a method to include local thermal fluctuations in the protein chain-solvent system, enables the investigation of one of the most extraordinary aspects of the problem, namely, the fastness of the folding process, which is studied here by means of the correlation between the complexity of the native structure (target) and the folding process rate. This method is motivated by physical chemistry and biological arguments, and is based on the Nonextensive Statistical Mechanics, by the use of the Tsallis weight in Monte Carlo simulations (MC), where the entropic index q is adjusted at each new conformation of the protein chain. For chains with the same length, the characteristic folding time (estimated from those simulations and used here as an analytical parameter of the problem) span several order of magnitude. Two main sets of simulations were performed for analysis purposes. First, some targets were specially selected and submitted to MC simulations with several temperatures of the thermal reservoir (the solvent), and then a total of two hundred targets with diverse topologies were submitted to simulations with the same reservoir temperature T = 1 (arbitrary units). With such set of simulations, we could compare the effect of two statistical weights, namely the Boltzmann and the Tsallis weight, on the kinetics of the folding process. Intriguing but consistent behavior with respect to the folding phenomenon was reveled, such as the robustness of the process, and about the characteristic folding time , which emerges as an amount that depends on the complexity of the native structure. For distinct structures, covers four orders of magnitude. Our results about the correlation between and global parameters to assess the complexity of the topology of the native structure, such as contact order and structural cooperativity, support the notion that the fastness of the folding process is essentially determined by the complexity of the topology of native structure.