A síndrome Kranz é um conjunto de características anatômicas, ultra-estruturais e bioquímicas que culminam na realização da fotossíntese C4. Tal síndrome apresenta grande diversidade dentre as Angiospermas, tornando-se conveniente seu estudo em todos os níveis acima citados para a completa caracterização da mesma. No presente trabalho foi investigada a síndrome Kranz de Gomphrena arborescens e G. scapigera (Amaranthaceae) com ênfase na origem ontogenética da bainha Kranz, na descrição ultra-estrutural e na confirmação bioquímica sobre o tipo de fotossíntese C4. O desenvolvimento foliar dessas espécies indica que a bainha Kranz é originada da camada mais interna do mesofilo, a endoderme foliar. Uma discussão sobre os termos presentes na literatura para a descrição dessa bainha, todos eles focados em sua função na fotossíntese C4, demonstra a importância de se utilizar termos que informem a origem ontogenética dessa bainha, como endoderme e periciclo. Na análise ultra-estrutural, foram identificados possíveis fatores que interferem na fotossíntese de ambas as espécies, como o espessamento e a composição da parede da bainha Kranz, o posicionamento centrípeto dos cloroplastos e a presença de retículo periférico nos mesmos. Embora a análise bioquímica tenha resultado em informações ainda não conclusivas, o dimorfismo dos cloroplastos sugere a realização da fotossíntese C4 do tipo NADP-ME. O presente trabalho, de uma forma geral, contribui ao conhecimento da síndrome Kranz dentre as Amaranthaceae s.s., um grupo em que a ultra-estrutura e a bioquímica ainda são pouco conhecidas, e ressalta a importância dos estudos anatômicos, principalmente com enfoque ontogenético, para o melhor conhecimento da diversidade da síndrome Kranz dentre as Angiospermas. / The Kranz syndrome is a set of anatomical, ultrastructural and biochemical features that culminate in the C4 photosynthesis. This syndrome has a huge diversity among Angiosperms, so it became suitable to survey all the levels above cited for its complete characterization. In the present work the Kranz syndrome of Gomphrena arborescens and G. scapigera (Amaranthaceae) is studied, with emphasis on the ontogenetic origin of the Kranz sheath, on the ultrastructural description, and on the biochemical confirmation about the C4 photosynthesis kind. The foliar development of these species shows that the Kranz sheath is originated from the inner layer of the mesophyll, the foliar endodermis. A discussion about the literature terms used to describe the Kranz sheath, all of them referring to the function of this layer in C4 photosynthesis, demonstrates the importance of using terms that inform the ontogenetic origin of this layer, such as endodermis and perycicle. The ultrastructural analysis identified possible factors that interfere on the C4 photosynthesis of both species, such as wall thickening and composition of Kranz sheath cells, the centripetal position of chloroplasts and the peripheral reticulum in chloroplasts. Although biochemical analysis has resulted in no conclusive information, the chloroplast dimorphism suggests the NADP-ME C4 photosynthesis. This work, in a general way, contributes to the knowledge of the Kranz syndrome among Amaranthaceae s.s., a group that has the ultrastructure and the biochemistry of C4 photosynthesis poorly known. It also draws attention to the importance of anatomical surveys concerning the ontogenetic origin of Kranz sheath for a better understanding on the diversity of Kranz syndrome among Angiosperms.

A síndrome Kranz é um conjunto de características anatômicas, ultra-estruturais e bioquímicas que culminam na realização da fotossíntese C4. Tal síndrome apresenta grande diversidade dentre as Angiospermas, tornando-se conveniente seu estudo em todos os níveis acima citados para a completa caracterização da mesma. No presente trabalho foi investigada a síndrome Kranz de Gomphrena arborescens e G. scapigera (Amaranthaceae) com ênfase na origem ontogenética da bainha Kranz, na descrição ultra-estrutural e na confirmação bioquímica sobre o tipo de fotossíntese C4. O desenvolvimento foliar dessas espécies indica que a bainha Kranz é originada da camada mais interna do mesofilo, a endoderme foliar. Uma discussão sobre os termos presentes na literatura para a descrição dessa bainha, todos eles focados em sua função na fotossíntese C4, demonstra a importância de se utilizar termos que informem a origem ontogenética dessa bainha, como endoderme e periciclo. Na análise ultra-estrutural, foram identificados possíveis fatores que interferem na fotossíntese de ambas as espécies, como o espessamento e a composição da parede da bainha Kranz, o posicionamento centrípeto dos cloroplastos e a presença de retículo periférico nos mesmos. Embora a análise bioquímica tenha resultado em informações ainda não conclusivas, o dimorfismo dos cloroplastos sugere a realização da fotossíntese C4 do tipo NADP-ME. O presente trabalho, de uma forma geral, contribui ao conhecimento da síndrome Kranz dentre as Amaranthaceae s.s., um grupo em que a ultra-estrutura e a bioquímica ainda são pouco conhecidas, e ressalta a importância dos estudos anatômicos, principalmente com enfoque ontogenético, para o melhor conhecimento da diversidade da síndrome Kranz dentre as Angiospermas. / The Kranz syndrome is a set of anatomical, ultrastructural and biochemical features that culminate in the C4 photosynthesis. This syndrome has a huge diversity among Angiosperms, so it became suitable to survey all the levels above cited for its complete characterization. In the present work the Kranz syndrome of Gomphrena arborescens and G. scapigera (Amaranthaceae) is studied, with emphasis on the ontogenetic origin of the Kranz sheath, on the ultrastructural description, and on the biochemical confirmation about the C4 photosynthesis kind. The foliar development of these species shows that the Kranz sheath is originated from the inner layer of the mesophyll, the foliar endodermis. A discussion about the literature terms used to describe the Kranz sheath, all of them referring to the function of this layer in C4 photosynthesis, demonstrates the importance of using terms that inform the ontogenetic origin of this layer, such as endodermis and perycicle. The ultrastructural analysis identified possible factors that interfere on the C4 photosynthesis of both species, such as wall thickening and composition of Kranz sheath cells, the centripetal position of chloroplasts and the peripheral reticulum in chloroplasts. Although biochemical analysis has resulted in no conclusive information, the chloroplast dimorphism suggests the NADP-ME C4 photosynthesis. This work, in a general way, contributes to the knowledge of the Kranz syndrome among Amaranthaceae s.s., a group that has the ultrastructure and the biochemistry of C4 photosynthesis poorly known. It also draws attention to the importance of anatomical surveys concerning the ontogenetic origin of Kranz sheath for a better understanding on the diversity of Kranz syndrome among Angiosperms.

A concentração de CO2 na atmosfera tem aumentado progressivamente nos últimos anos. Este aumento é atribuído em sua maior parte à ação humana e à atividades como mudanças no uso da terra, desflorestamento e uso de combustíveis fósseis. É previsto que as mudanças do clima decorrentes desse aumento do CO2 irão impactar de forma significativa na agricultura. A cana-de-açúcar é uma planta de grande importância na economia mundial devido ao seu uso na indústria sucroalcoleira. Neste sentido, conhecer como o aumento de CO2 irá impactar nesta cultura é de importância estratégica para o país e para o mundo. Experimentos com cana-de-açúcar cultivada em elevado CO2 têm demonstrado aumento na taxa de fotossíntese, biomassa e no conteúdo de sacarose. Especula-se que a maior taxa de fotossíntese observada nesses experimentos é regulada por meio da taxa de transporte de elétrons, uma vez que genes relacionados a este processo foram observados com maior expressão em alto CO2. No entanto, os mecanismos que envolvem este processo ainda são desconhecidos. Com o objetivo de compreender os mecanismos envolvidos na regulação e funcionamento da fotossíntese em cana-de-açúcar, este trabalho apresenta dados sobre o ciclo diário de fotossíntese e carboidratos não estruturais, bem como dados fisiológicos, bioquímicos e de expressão gênica de plantas cultivadas em atmosfera enriquecida de CO2. Os resultados obtidos mostram que a regulação da fotossíntese em alto CO2 é dada pela manutenção do crescimento que esta condição proporciona às plantas, uma vez que o cultivo no vaso limita o crescimento na raiz e leva a um possível déficit hídrico. Genes e proteínas relacionados direta ou indiretamente ao processo de transporte de elétrons foram encontrados com expressão diferencial, corroborando os dados obtidos nas medidas in vivo. Por outro lado, os dados mostram pouca variação no sistema de captação de CO2, indicando que a principal regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar ocorre por meio do sistema de captura de luz. Foram observados proteínas e genes relacionados com o conteúdo de açúcares e com o crescimento, que podem ser pontos importantes de regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar. Com os dados obtidos foi possível inferir que o aumento do CO2 na atmosfera irá beneficiar as plantas de cana-de-açúcar, sendo que pontos de regulação descritos neste trabalho têm potencial de utilização como ferramentas que auxiliem na determinação de cultivares mais produtivos. / The atmospheric CO2 concentration has been increasing progressively along the last years. This increase is attributed mainly to humans action and to land use changes, deforestation and fossil fuel burning. Is it predicted that the global climate changes resulting from CO2 increase will impact significantly agriculture. Sugarcane is very important for worlds economy due to its use for sugar and alcohol industry. In this way, the knowledge of how sugarcane will respond at elevated CO2 is important to design strategies for biofuel production and use in Brazil and in the world. In experiments with sugarcane grown under elevated CO2 sugarcane plants have shown an increase in photosynthesis, biomass and sucrose content. It was then speculated that the higher photosynthesis observed in these experiments might be regulated by electron transport rates, since genes related to this process were observed with higher expression in elevated CO2. However, the mechanisms that are related with this process are still unknown. The aim of this thesis was to understand the mechanisms related in the regulation and functioning of photosynthesis in sugarcane in elevated CO2. This work presents data about diurnal cycle of photosynthesis and non structural carbohydrates, physiology, biochemistry and gene expression. The results show that photosynthesis regulation in elevated CO2 is linked with the plant growth that remains under these conditions, since the pots cause roots growth limitations and leads a possibly water deficit. Genes and proteins were found that are related directly or indirectly to electron transport process as seen from differential expression. This corroborates the data obtained from in vivo measurements. On the other hand, our data show little variation in CO2 capture system, indicating that the mainly regulations of photosynthesis in sugarcane occurs due changes in light capture system. Proteins and genes have been observed that associated with sugar content and growth. These might be key for understanding regulation of photosynthesis in sugarcane. With the data obtained it is possible to speculate that elevation of CO2 will benefit the sugarcane plants in the future. Also, the regulation points described in this work have potential to be used as tools to help finding more productive cultivars.

A concentração de CO2 na atmosfera tem aumentado progressivamente nos últimos anos. Este aumento é atribuído em sua maior parte à ação humana e à atividades como mudanças no uso da terra, desflorestamento e uso de combustíveis fósseis. É previsto que as mudanças do clima decorrentes desse aumento do CO2 irão impactar de forma significativa na agricultura. A cana-de-açúcar é uma planta de grande importância na economia mundial devido ao seu uso na indústria sucroalcoleira. Neste sentido, conhecer como o aumento de CO2 irá impactar nesta cultura é de importância estratégica para o país e para o mundo. Experimentos com cana-de-açúcar cultivada em elevado CO2 têm demonstrado aumento na taxa de fotossíntese, biomassa e no conteúdo de sacarose. Especula-se que a maior taxa de fotossíntese observada nesses experimentos é regulada por meio da taxa de transporte de elétrons, uma vez que genes relacionados a este processo foram observados com maior expressão em alto CO2. No entanto, os mecanismos que envolvem este processo ainda são desconhecidos. Com o objetivo de compreender os mecanismos envolvidos na regulação e funcionamento da fotossíntese em cana-de-açúcar, este trabalho apresenta dados sobre o ciclo diário de fotossíntese e carboidratos não estruturais, bem como dados fisiológicos, bioquímicos e de expressão gênica de plantas cultivadas em atmosfera enriquecida de CO2. Os resultados obtidos mostram que a regulação da fotossíntese em alto CO2 é dada pela manutenção do crescimento que esta condição proporciona às plantas, uma vez que o cultivo no vaso limita o crescimento na raiz e leva a um possível déficit hídrico. Genes e proteínas relacionados direta ou indiretamente ao processo de transporte de elétrons foram encontrados com expressão diferencial, corroborando os dados obtidos nas medidas in vivo. Por outro lado, os dados mostram pouca variação no sistema de captação de CO2, indicando que a principal regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar ocorre por meio do sistema de captura de luz. Foram observados proteínas e genes relacionados com o conteúdo de açúcares e com o crescimento, que podem ser pontos importantes de regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar. Com os dados obtidos foi possível inferir que o aumento do CO2 na atmosfera irá beneficiar as plantas de cana-de-açúcar, sendo que pontos de regulação descritos neste trabalho têm potencial de utilização como ferramentas que auxiliem na determinação de cultivares mais produtivos. / The atmospheric CO2 concentration has been increasing progressively along the last years. This increase is attributed mainly to humans action and to land use changes, deforestation and fossil fuel burning. Is it predicted that the global climate changes resulting from CO2 increase will impact significantly agriculture. Sugarcane is very important for worlds economy due to its use for sugar and alcohol industry. In this way, the knowledge of how sugarcane will respond at elevated CO2 is important to design strategies for biofuel production and use in Brazil and in the world. In experiments with sugarcane grown under elevated CO2 sugarcane plants have shown an increase in photosynthesis, biomass and sucrose content. It was then speculated that the higher photosynthesis observed in these experiments might be regulated by electron transport rates, since genes related to this process were observed with higher expression in elevated CO2. However, the mechanisms that are related with this process are still unknown. The aim of this thesis was to understand the mechanisms related in the regulation and functioning of photosynthesis in sugarcane in elevated CO2. This work presents data about diurnal cycle of photosynthesis and non structural carbohydrates, physiology, biochemistry and gene expression. The results show that photosynthesis regulation in elevated CO2 is linked with the plant growth that remains under these conditions, since the pots cause roots growth limitations and leads a possibly water deficit. Genes and proteins were found that are related directly or indirectly to electron transport process as seen from differential expression. This corroborates the data obtained from in vivo measurements. On the other hand, our data show little variation in CO2 capture system, indicating that the mainly regulations of photosynthesis in sugarcane occurs due changes in light capture system. Proteins and genes have been observed that associated with sugar content and growth. These might be key for understanding regulation of photosynthesis in sugarcane. With the data obtained it is possible to speculate that elevation of CO2 will benefit the sugarcane plants in the future. Also, the regulation points described in this work have potential to be used as tools to help finding more productive cultivars.