The C₄ biochemical pathway is the most efficient form of photosynthesis in warm environments and introducing this system into globally significant, but less efficient, C₃ photosynthetic crops could bring major yield increases. The most photosynthetically efficient C₄ grass species have a specialised leaf anatomy characterised by high vein density with two distinct cell types radially arranged around the vascular bundles (Kranz anatomy). Although this anatomy was first described in 1882, the genetic regulators controlling Kranz development are still not known. In recent years, transcriptomic analysis has allowed researchers to identify candidate Kranz regulator genes, and a model for Kranz development has been proposed, however, this model has not been experimentally validated. This study used in situ hybridisation to visualise expression patterns for a set of candidate Kranz regulator genes in maize and the orthologous genes in rice. Further, morphological analysis of rice lines with constitutive expression of the candidate Kranz regulator genes AINTEGUMENTA 1 and DAG-LIKE 1 and 2 were used to characterise protein function during C₃ monocot leaf development. The function of maize AINTEGUMENTA in the C₃ eudicot arabidopsis was also investigated. The results of the in situ hybridisation experiments led to the refinement of the Kranz model and identified potential roles for the candidate regulators during leaf development. The constitutive expression experiments highlighted the regulatory differences between eudicot and monocot leaf development and implicated the regulation of auxin-cytokinin homeostatis as a key factor in Kranz development. Ultimately, this work can be used to guide research into Kranz development and has direct implications for engineering C₄ photosynthesis into rice.

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.

Resumo: Artemisia annua L. (Asteraceae) é uma planta herbácea altamente aromática, nativa da Ásia e aclimatada no Brasil. As folhas são fonte abundante de artemisinina, uma lactona sesquiterpênica que, conjuntamente aos seus derivados semi-sintéticos, apresentam ação efetiva contra as cepas resistentes das espécies de Plasmodium causadoras da malária. Os objetivos deste trabalho foram identificar o mecanismo fotossintético e avaliar o efeito de diferentes condições de temperatura e fotoperíodo no crescimento e desenvolvimento do acesso CPQBA 2/39x1V de A. annua. Para identificar o mecanismo fotossintético foram realizados experimentos para determinar composição dos isótopos do carbono (d‰13C) e a anatomia foliar associada a testes histoquímicos. Para avaliar o efeito da temperatura e fotoperíodo no crescimento e desenvolvimento de A. annua foram realizados dois experimentos em câmaras fotoperiódicas (o primeiro com temperaturas médias máx. de 37ºC e mín. de 19ºC e o segundo com máx. de 29ºC e mín. de 13ºC) e um experimento com 6 épocas de plantio em campo no município de Pato Branco-PR (26º11' S, 52º36' W e 760 m de altitude), sul do Brasil. Um último experimento realizado, foi a aplicação exógena de artemisinina em plantas de A. annua para verificar o papel da molécula na indução do florescimento. Como resultados, A. annua apresentou uma d‰13C - 31.76 l 0.07, valor típico de espécies com mecanismo fotossintético C3, que apresentam em média valores de d‰13C - 28. Os estudos da anatomia foliar e testes histoquímicos confirmaram os resultados encontrados para a d‰13C, onde, a despeito da existência de células parenquimáticas formando um anel ao redor do feixe vascular, estas não apresentaram cloroplastos e amido, confirmando ser A. annua uma espécie de mecanismo... / Abstract: Leaves of Artemisia annua L. are a plentiful source of artemisinin, a drug with proven effectiveness against malaria. One of the objectives of this work was to identify the photosynthetic type of A. annua through studies of the carbon isotope composition (d‰13C) and the leaf anatomy. We also verified the growth and development of the CPQBA 2/39x1V accession under moist subtropical climate. Two experiments were carried out in greenhouse using photoperiodic chambers. The plants were submitted to photoperiods of 7, 9, 11, 13, 15 and 17 h, in two natural conditions of temperature: spring/summer (maximum of 37ºC and minimum of 19ºC) and autumn/winter (maximum of 29ºC and minimum of 13ºC). Another experiment with different planting dates at field was carried out in Pato Branco, PR (26º11' S, 52º36' W and 760 m), Southern part of Brazil. The last experiment was the application of artemisinin (0, 500, 5000, and 10000 mg L-1) in A. annua plants to verify the role of the molecule on the flowering induction. A. annua presented a d‰13C - 31.76 l 0.07, what characterizes it as typical species with a C3 photosynthetic mechanism, with an average of d‰13C- 28, while C4 species possess an average of d‰13C - 14. The study of A. annua leaf anatomy confirms the results of d‰13C, where, in spite of the existence of parenchymatic cells forming a different sheath surrounding of the vascular tissue, these cells do not have chloroplast or starch. These features do not describe the Kranz anatomy typical of C4 species. The application of artemisinin did not induce the flowering of A. annua at any of the concentrations used. The results suggest that the accumulation of the artemisinin in the pre-flowering and flowering phases in A. annua is not the physiological signal of floral induction in this species... / Orientador: Fernando Broetto / Coorientador: Rita Maria Moraes / Banca: João Domingos Rodrigues / Banca: Lin Chau Ming / Banca: Cícero Deschamps / Banca: Vera Lúcia Garcia Rehder / Doutor

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:32:25Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-02-03Bitstream added on 2014-06-13T19:22:04Z : No. of bitstreams: 1 marchese_ja_dr_botfca.pdf: 1209124 bytes, checksum: 3852bccf50e18f3028e21b50674aba78 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Artemisia annua L. (Asteraceae) é uma planta herbácea altamente aromática, nativa da Ásia e aclimatada no Brasil. As folhas são fonte abundante de artemisinina, uma lactona sesquiterpênica que, conjuntamente aos seus derivados semi-sintéticos, apresentam ação efetiva contra as cepas resistentes das espécies de Plasmodium causadoras da malária. Os objetivos deste trabalho foram identificar o mecanismo fotossintético e avaliar o efeito de diferentes condições de temperatura e fotoperíodo no crescimento e desenvolvimento do acesso CPQBA 2/39x1V de A. annua. Para identificar o mecanismo fotossintético foram realizados experimentos para determinar composição dos isótopos do carbono (d 13C) e a anatomia foliar associada a testes histoquímicos. Para avaliar o efeito da temperatura e fotoperíodo no crescimento e desenvolvimento de A. annua foram realizados dois experimentos em câmaras fotoperiódicas (o primeiro com temperaturas médias máx. de 37ºC e mín. de 19ºC e o segundo com máx. de 29ºC e mín. de 13ºC) e um experimento com 6 épocas de plantio em campo no município de Pato Branco-PR (26º11' S, 52º36' W e 760 m de altitude), sul do Brasil. Um último experimento realizado, foi a aplicação exógena de artemisinina em plantas de A. annua para verificar o papel da molécula na indução do florescimento. Como resultados, A. annua apresentou uma d 13C - 31.76 l 0.07, valor típico de espécies com mecanismo fotossintético C3, que apresentam em média valores de d 13C - 28. Os estudos da anatomia foliar e testes histoquímicos confirmaram os resultados encontrados para a d 13C, onde, a despeito da existência de células parenquimáticas formando um anel ao redor do feixe vascular, estas não apresentaram cloroplastos e amido, confirmando ser A. annua uma espécie de mecanismo... / Leaves of Artemisia annua L. are a plentiful source of artemisinin, a drug with proven effectiveness against malaria. One of the objectives of this work was to identify the photosynthetic type of A. annua through studies of the carbon isotope composition (d 13C) and the leaf anatomy. We also verified the growth and development of the CPQBA 2/39x1V accession under moist subtropical climate. Two experiments were carried out in greenhouse using photoperiodic chambers. The plants were submitted to photoperiods of 7, 9, 11, 13, 15 and 17 h, in two natural conditions of temperature: spring/summer (maximum of 37ºC and minimum of 19ºC) and autumn/winter (maximum of 29ºC and minimum of 13ºC). Another experiment with different planting dates at field was carried out in Pato Branco, PR (26º11' S, 52º36' W and 760 m), Southern part of Brazil. The last experiment was the application of artemisinin (0, 500, 5000, and 10000 mg L-1) in A. annua plants to verify the role of the molecule on the flowering induction. A. annua presented a d 13C - 31.76 l 0.07, what characterizes it as typical species with a C3 photosynthetic mechanism, with an average of d 13C- 28, while C4 species possess an average of d 13C - 14. The study of A. annua leaf anatomy confirms the results of d 13C, where, in spite of the existence of parenchymatic cells forming a different sheath surrounding of the vascular tissue, these cells do not have chloroplast or starch. These features do not describe the Kranz anatomy typical of C4 species. The application of artemisinin did not induce the flowering of A. annua at any of the concentrations used. The results suggest that the accumulation of the artemisinin in the pre-flowering and flowering phases in A. annua is not the physiological signal of floral induction in this species...