Acid soils limit the growth of aluminum-(Al) sensitive crops such as alfalfa (Medicago sativa L.). Management of acid subsoils can be difficult due to physical and economic constraints. Field experiments were conducted at two locations to evaluate the effectiveness of surface-applied gypsum and a flue gas desulfurization by-product for reducing the toxic effects of acid subsoils on alfalfa. The materials were applied at rates of 0, 5, 10, and 15 Mg ha-1. In addition, a glasshouse experiment was conducted that used 0, 5, and 10 Mg ha-1 of gypsum only. Field studies were concluded 41 and 45 months after treatment application at the two locations. No effect of material on alfalfa yield or tissue mineral concentration was observed. Also, rate did not affect yield. However, there were differences in plant tissue mineral concentration in several harvests that were related to rate. Soil was sampled periodically to 120 cm and indicated movement of Ca and S into the soil profile to depths of 60 and 120 cm, respectively. Subsoil pHH2O and pHCaCl2 were not affected by treatment. Extractable and exchangeable Al were not reduced by movement of Ca and S into the soil. In the glasshouse study, alfalfa yields and root growth were not affected by gypsum rate. As gypsum rate increased, plant tissue S increased, but K and Mg decreased. Alfalfa roots did not grow below 60 cm, even though there was indication of material movement to 90 cm in the soil. Although sulfur moved to 75 cm, no effect on soil Al was observed. Leachate collected from the bottoms of columns indicated that soil cations were leached as a result of gypsum application. Gypsum and the flue gas desulfurization by-product did not significantly affect the acid soils used in these studies or improve alfalfa growth.

Acid soils limit the growth of aluminum-(Al) sensitive crops such as alfalfa (Medicago sativa L.). Management of acid subsoils can be difficult due to physical and economic constraints. Field experiments were conducted at two locations to evaluate the effectiveness of surface-applied gypsum and a flue gas desulfurization by-product for reducing the toxic effects of acid subsoils on alfalfa. The materials were applied at rates of 0, 5, 10, and 15 Mg ha-1. In addition, a glasshouse experiment was conducted that used 0, 5, and 10 Mg ha-1 of gypsum only. Field studies were concluded 41 and 45 months after treatment application at the two locations. No effect of material on alfalfa yield or tissue mineral concentration was observed. Also, rate did not affect yield. However, there were differences in plant tissue mineral concentration in several harvests that were related to rate. Soil was sampled periodically to 120 cm and indicated movement of Ca and S into the soil profile to depths of 60 and 120 cm, respectively. Subsoil pHH2O and pHCaCl2 were not affected by treatment. Extractable and exchangeable Al were not reduced by movement of Ca and S into the soil. In the glasshouse study, alfalfa yields and root growth were not affected by gypsum rate. As gypsum rate increased, plant tissue S increased, but K and Mg decreased. Alfalfa roots did not grow below 60 cm, even though there was indication of material movement to 90 cm in the soil. Although sulfur moved to 75 cm, no effect on soil Al was observed. Leachate collected from the bottoms of columns indicated that soil cations were leached as a result of gypsum application. Gypsum and the flue gas desulfurization by-product did not significantly affect the acid soils used in these studies or improve alfalfa growth.

Aluminium is an element of increasing clinical importance. It not only has uses as a medicinal substance but also in recent years it has been shown to be the cause of considerable toxicity, particularly in the setting of chronic renal failure. Diseases that have been shown to be associated with aluminium, or in which it has been implicated, include dialysis dementia, renal osteodystrophy and Alzheimer's disease. This thesis has studied aspects of the interaction between aluminium and the kidney. The work has addressed two major issues. Firstly, a study is described where Malvin's stop-flow technique was used to determine any excretory/absorptive tubular site for Al in the pig kidney. Al was found to be excreted in the distal nephron of the pig kidney. Secondly, the toxic effects of Al in vitro on the DNA of pig kidney cell line LLC-PKl were investigated, in an attempt to elucidate some of the mechanisms of toxic action. DNA synthesis was measured using ³H-TdR incorporation. Over increases of both time (9-72 h) and Al concentration (0.01-8.0 mM), ³H-TdR incorporation was diminished. Effects were evident at concentrations as low as 0.05 mM Al. The production of DNA strand breaks was assessed by the increase in size of cell nucleoids (ie DNA in supercoiled form). Nucleoid size was analyzed in a Epics 753 Fluorescence Activated Cell Sorter interfaced with an MDADSII data acquisition and analysis system. After 90 min incubation with Al (over the concentration range 0.001-32 mM), an increase in nucleoid size was noted at concentrations above 0.05 mM. The data demonstrate that Al exerts an effect on kidney cells in vitro which is expressed as diminished DNA synthesis and production of DNA strand breaks. These effects on DNA may have important long-term implications on various disease states associated with Al toxicity.

Aluminium (Al) and silver (Ag), through human activities, are present in the environment at concentrations sufficient to cause toxicity. The aim of this study was to administer Al and Ag to the short lived model organism Drosophila melanogaster, so that developmental toxicity and potential ameliorative interventions could be examined over a compressed timescale relative to mammalian models. Aluminium was administered to Drosophila in food as either the chloride salt or citrate complex at concentrations of 1, 10 and 100 mM and various developmental parameters were assessed. The lowest concentration to delay pupation relative to the control was 10 mM but this depended upon the food in which it was administered. Higher whole body tissue levels of Al were seen following Al citrate administration compared to AlCl3, but Al citrate was less toxic as this did not did not impair larval viability at 100 mM; 100 mM AlCl3 resulted in 100% mortality. Eclosion success was significantly impaired with either form of Al at 10 mM, but no difference was seen between the forms of Al. When Drosophila were fed AlCl3 over their entire lifespan, a small but significant reduction in the lifespan of male flies was seen. No behavioural toxicity could be demonstrated. Existing studies have demonstrated significant tissue Al concentrations and toxicity whereas these have been minimal in this study. It is suggested that these differences may have a genetic component, with food composition exerting an influence also. Silver, either as AgNO3 or Ag nanoparticles (AgNPs) was administered in concentrations up to 500 micromolar and 10 mM, respectively. Either form of Ag, at 50 micromolar was sufficient to significantly retard pupation rate, although pupation or eclosion success was not impaired until 100 micromolar. The concentration-response relationship for AgNO3 was steep with pupation success dropping to nearly zero by 300 micromolar; Drosophila in this study were far more sensitive to AgNO3 than those in other reports. Animals exposed to AgNPs were still able to pupate at 500 micromolar, but these pupae were almost all non-viable when exposed to 400 micromolar AgNPs. At 1 mM and above, AgNPs, however, showed reduced toxicity compared to lower concentrations. The reasons for this are unclear. Both forms of Ag caused de-pigmentation in adults after larval exposure that may be explainable by inhibition of polyphenol oxidase enzymes by Ag (I) ions. The de-pigmentation was preventable by pre-loading larvae with Cu. Ascorbate prevented the de-pigmentation caused by AgNPs but not AgNO3 suggesting that AgNP toxicity is due to Ag (I) ion release. Oxidation of AgNPs was found to be greatly accelerated by Fe (III) and Cu (II) ions in the presence of Cl- ions. Although some of the results here conflict with the literature, developmental toxicity has been observed here, for both Al and Ag, and the variability across studies may provide an opportunity for dissecting the mechanisms behind Al and Ag toxicity through identification of the traits that confer sensitivity or resistance.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Aluminum (Al) is the most abundant metal in the Earth's crust, affecting growth and development of plants. The aim of this study was to investigate the effects of Al on seedlings of cucumber (Cucumis sativus L.) and oat (Avena sativa L) through the analysis of biochemical and physiological parameters. Three different genotypes of oat seedlings were studied, namely UFRGS 930598 Al-sensitive, UFRGS 17 Altolerant, and 280 Al-intermediate (resulting from the crossing UFRGS 930598 and UFRGS 17), exposed to 0, 5, 10, 20, and 30 mg/L Al. The biochemical parameters analyzed for cucumber were: the activity of antioxidant enzymes (catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX) and superoxide dismutase (SOD)), the levels of lipid peroxidation, leakage electrolytes, protein oxidation, and chlorophyll content. The increase of electrolyte leakage and the production of hydrogen peroxide observed are related to the decreased efficiency of the antioxidant system at the highest concentrations of Al. The antioxidant system was unable to prevent the toxicity resulting in negative effects such as lipid peroxidation, protein oxidation, and decreased plant growth. Oat seedlings were exposed to Al in different growth media. The first exposure was in the midst of semi-solid growth agar for 5 days, seedlings with five days of development and then to a hydroponic solution for 7 days with 10 days of seedling development. The content of hydrogen peroxide, lipid peroxidation, ascorbic acid and non-protein thiols (NPSH), as well as the activity of the enzymes CAT, APX and SOD, and the content of Al accumulated in the seedlings were evaluated. Enzymes activities of the antioxidant SOD and CAT were increased in UFRGS 17 and UFRGS 280 genotypes. Even when these two genotypes accumulated high concentrations of Al, they did not show high levels of lipid peroxidation and contents of hydrogen peroxide when compared with the 930598 genotype. For this genotype, an activation of the enzyme APX was observed, however, high levels of Al accumulated in the plant caused an increase in the lipid peroxidation and hydrogen peroxide content. The UFRGS 930598 genotype was more sensitive to Al than the UFRGS 17 and UFRGS 280 genotypes, which confirms the previous morphological analysis obtained by FEDERIZZI et al., 2000. Although there was increased activity of APX in this genotype, the antioxidant system was not efficient in the removal of reactive oxygen species (ROS). In order to better understand these results, a growth medium with a hydroponic solution was used in which the mobility of the metal was greater for an exposure period of 7 days with oat seedlings with 10 days of development. Besides the biochemical parameters mentioned above, the analysis of the growth of roots and shoots, fresh and dry matter, chlorophyll content, activity of the enzyme δ -aminolevulinic acid dehydratase (δ -ALA -D), and the monitoring of the pH of the hydroponic solution of each genotype were performed. The pH of the hydroponic solution of salt-tolerant genotype (UFRGS 17) showed a significant increase in pH, while the sensitive (UFRGS 930598) and intermediate (UFRGS 280) genotypes showed no significant changes. The sensitive genotype presented inhibition of root and shoot growth at the highest concentrations of Al while the tolerant and intermediate genotype showed no significant changes. The activity of antioxidant enzymes was increased after 7 days of exposure to Al in the sensitive genotype, whereas in the tolerant genotype there was no increase in this activity. In seedlings of the intermediate genotype there was an increase in the activity of CAT, APX and SOD enzymes only at higher Al concentrations (20 and 30 mg/L). Results showed that the intermediate and tolerant genotypes showed similar effects not only on the activity of enzymes of the antioxidant system, but also on the physiological parameters such as growth of roots and shoots. Even when accumulating high concentrations of Al, the intermediate genotype did not show a decrease in growth, which shows that it has resistance mechanisms related to the internal immobilization of this metal in the vacuoles. The tolerant genotype also introduces mechanisms of resistance to Al, but these mechanisms may be the exclusion of Al by binding this metal to organic acids. In order to investigate if the antioxidant system is activated in different genotypes of oat, seedlings were placed in growth medium with a hydroponic solution and withdrawn from the medium after 12, 24, and 36 h of exposure to 20 mg/L. Tolerant and intermediate genotypes showed an increase of the enzyme activity of the antioxidant system after 12 h of exposure to Al, while the sensitive genotype presented this increase only after 24 or 36 h. This difference in the rate of activation of the antioxidant system may be crucial in maintaining cellular redox homeostasis of this genotype. At this stage of development, the tolerant and the intermediate genotypes showed a stimulation of root growth while the sensitive type showed significant growth retardation. In order to compare plant species, cucumber was placed in hydroponic growth medium with the oat seedlings (sensitive and tolerant genotypes.) When cucumber was placed in hydroponic solution exposed to 20 mg/L Al along with the tolerant (UFRGS 17) and the sensitive (UFRGS 930 598) genotypes, it showed similarities with the sensitive genotype (increased catalase activity after 36 h of exposure to Al). The levels of lipid peroxidation were high after 12, 24, and 36h of exposure to Al and as a consequence there was a reduction in root growth. Considering the evaluation with tolerant (UFRGS 17) and sensitive (UFRGS 930 598) oat genotypes, the cucumber may be considered an Al-sensitive species. / O alumínio (Al) é o metal mais abundante na crosta terrestre, afetando o crescimento e desenvolvimento das plantas. Neste estudo, foram investigados através da análise de parâmetros bioquímicos e fisiológicos, os efeitos do alumínio (Al) em plântulas de pepino (Cucumis sativus L.) e em plântulas de aveia (Avena sativa L). As plântulas de aveia estudadas pertencem a três diferentes genótipos: UFRGS 930598-sensível ao alumínio, UFRGS 17-tolerante ao alumínio e UFRGS 280-intermediário ao alumínio (resultante do cruzamento entre UFRGS 930598 e UFRGS 17), expostos a 0, 5, 10, 20 e 30 mg/L de Al. Os parâmetros bioquímicos analisados para C. sativus foram: a atividade das enzimas antioxidantes (catalse (CAT), ascorbato peroxidase (APX) e superóxido dismutase (SOD)), os níveis de peroxidação lipídica, vazamento de eletrólitos, oxidação de proteínas e conteúdo de clorofila. O aumento na porcentagem de vazamento de eletrólitos e na produção de peróxido de hidrogênio observado está relacionado com a diminuição da eficiência do sistema antioxidante nas concentrações mais altas de alumínio. O sistema antioxidante foi incapaz de impedir a toxicidade, resultando em efeitos negativos, tais como peroxidação lipídica, oxidação de proteínas e diminuição do crescimento das plantas. Plântulas dos três genótipos de aveia foram expostas ao Al em diferentes meios de crescimento. Primeiro a exposição foi em meio de crescimento semi-sólido com agar por 5 dias, com plântulas com 5 dias de desenvolvimento, depois em solução hidropônica por 7 dias com plântulas com 10 dias de desenvolvimento. Foram avaliados o conteúdo de peróxido de hidrogênio, peroxidação de lipídeos, conteúdo de ácido ascórbico e tióis não protéicos (NPSH), a atividade das enzimas CAT, APX e SOD e o conteúdo de Al acumulado nas plântulas. As enzimas do sistema antioxidante SOD e CAT tiveram suas atividades aumentadas nos genótipos UFRGS 17 e UFRGS 280. Mesmo acumulando altas concentrações de alumínio estes dois genótipos não apresentaram altos níveis de peroxidação lipídica e conteúdo de peróxido de hidrogênio quando comparados com o genótipo 930598. Para esse genótipo houve ativação da enzima APX, entretanto os altos níveis de alumínio acumulados na planta causaram um aumento na peroxidação de lipídeos e no conteúdo de peróxido de hidrogênio. O genótipo UFRGS 930598 mostrou ser mais sensível ao alumínio que os genótipos UFRGS 17 e UFRGS 280, o que confirma as análises morfológicas prévias obtidas por FEDERIZZI et al., 2000. Embora tenha ocorrido um aumento da atividade da APX neste genótipo, o sistema antioxidante não foi eficiente na remoção das espécies reativas de oxigênio (EROS). Com a finalidade de melhor entender esses resultados foi utilizado o meio de crescimento com solução hidropônica onde a mobilidade do metal é maior por um período de exposição de 7 dias com plântulas de aveia com 10 dias de desenvolvimento. Neste experimento além dos parâmetros bioquímicos citados acima, foi feita a análise do crescimento da raiz e parte aérea, matéria seca e fresca, conteúdo de clorofila, atividade da enzima δ -aminolevulinato desidratase (δ-ALA-D) e o monitoramento do pH da solução hidropônica de cada genótipo. O pH da solução hidropônica do genótipo tolerante (UFRGS 17) apresentou um aumento significativo nos valores de pH, enquanto os genótipos sensíveis (UFRGS 930598) e intermediário (UFRGS 280) não apresentaram mudanças significativas nos valores de pH. O genótipo sensível teve inibição do crescimento da raiz e parte aérea nas concentrações mais altas de alumínio enquanto que para o genótipo tolerante e intermediário, não houve modificações significativas do crescimento da raiz e parte aérea. A atividade das enzimas antioxidantes foi aumentada após 7 dias de exposição ao alumínio no genótipo sensível, enquanto que no genótipo tolerante não houve aumento na atividade das enzimas antioxidantes. Nas plântulas do genótipo intermediário houve o aumento na atividade das enzimas CAT, APX e SOD apenas nas maiores concentrações de alumínio (20 e 30 mg/L). Os resultados mostram que os genótipos intermediário e tolerante apresentaram semelhanças quanto ao efeito do alumínio na atividade das enzimas do sistema antioxidante e também nos parâmetros fisiológicos como o crescimento das raízes e parte aérea. Mesmo acumulando altas concentrações de alumínio, o genótipo intermediário não apresentou diminuição do crescimento, o que mostra que ele apresenta mecanismos de resistência, relacionado com a imobilização interna deste metal nos vacúolos. O genótipo tolerante também apresenta mecanismos de resistência ao alumínio, porém estes mecanismos podem ser de exclusão do alumínio pela raiz através da ligação deste metal a ácidos orgânicos. Com a finalidade de investigar quando o sistema antioxidante é ativado nos diferentes genótipos de aveia, as plântulas foram colocadas no meio de crescimento com solução hidropônica e retiradas do meio após 12, 24 e 36 horas de exposição a 20 mg/L de Al. Os genótipos tolerante e intermediário apresentaram aumento na atividade das enzimas do sistema antioxidante após 12 h de exposição ao alumínio, enquanto o genótipo sensível somente após 24 ou 36 horas de exposição. Esta diferença na velocidade de ativação do sistema antioxidante pode ser crucial na manutenção da homeostase celular redox deste genótipo. Nessa fase do desenvolvimento, o genótipo tolerante e o intermediário apresentaram um estímulo do crescimento da raiz enquanto o sensível um atraso do crescimento. Com a finalidade de estabelecer comparações entre as espécies vegetais, o pepino (Cucumis sativus) foi colocado em meio de crescimento hidropônico, juntamente com as plântulas de aveia (genótipo sensível e tolerante). O pepino (Cucumis sativus) quando colocado em solução hidropônica exposto a 20 mg/L de alumínio juntamente com o genótipo tolerante (UFRGS 17) e o genótipo sensível (UFRGS 930598), apresentou semelhanças com o genótipo sensível tais como o aumento da atividade da enzima catalase após 36 h de exposição ao alumínio. Os níveis de peroxidação lipídica foram elevados após 12, 24 e 36h de exposição ao alumínio e como conseqüência a raiz teve uma diminuição do crescimento. Através da avaliação conjunta, com os genótipos de aveia tolerante, UFRGS 17, e sensível, UFRGS 930598, o pepino (Cucumis sativus) pode ser considerado uma espécie sensível ao alumínio.

O alumínio é limitante à atividade agrícola em todo o mundo. Nos solos ácidos a disponibilidade de Al aumenta. Estes solos constituem a maioria dos solos do mundo e dois terços dos solos brasileiros. O problema da acidez do solo e da toxicidade por Al é altamente significativo para as perdas na produtividade agrícola e florestal. Para se ter Al disponível, primeiramente tem que se ter condições de pH baixo. O primeiro sintoma causado pela toxicidade por Al é a inibição no alongamento do sistema radicular. Existem trabalhos vinculando a inibição a alterações nos processos de divisão e expansão celular. Embora os mecanismos de toxicidade e resistência ao Al não estejam totalmente elucidados, admite-se que em algumas plantas, a quelação do Al por ácidos orgânicos é um dos mecanismos que confere resistência das células ao Al, assim como em outras plantas a elevação do pH da rizosfera, por compostos liberados pelo sistema radicular, atua na queda da disponibilidade do Al na solução do solo. Porém, existem outras alternativas que vêm sendo propostas na literatura como possíveis mecanismos de resistência das plantas ao Al, principalmente ao nível celular e molecular. Alterações nas composições lipídica e protéica da membrana plasmática, assim como na sua estrutura física; ativação do sistema antioxidante celular; alterações na sinalização celular e de atividade dos canais de troca da membrana plasmática vêm sendo estudados como possíveis contribuintes para os mecanismos de resistência ao Al. A sensibilidade celular ao Al depende do seu estágio de desenvolvimento. As células sensíveis ao Al acumulam o metal, enquanto que as resistentes acumulam muito pouco. Foi constatado em nosso trabalho que as células sensíveis ao Al também são sensíveis ao baixo pH. As células sensíveis não conseguem recuperar seu crescimento e sua viabilidade celular após a exposição ao Al ou ao baixo pH.A sacarose ou manitol conferiram proteção às células quanto ao acúmulo de Al. Isso fez com que a viabilidade mantivesse-se em níveis próximos ao controle (pH5,6) e a cultura conseguisse recuperar seu crescimento e viabilidade após a exposição ao Al e ao baixo pH. O efeito protetor não foi devido ao caráter energético da sacarose, pois o manitol não é metabolizado pelas células BY-2 e os resultados foram semelhantes quando se usou sacarose ou manitol, nas mesmas concentrações. Sabe-se que o Al aumenta a peroxidação lipídica e a oxidação protéica da membrana plasmática, pela geração de EAO?s, desencadeando o processo de estresse oxidativo na célula. Em nosso estudo, nas células sensíveis houve peroxidação dos lipídios, ativação do sistema de enzimas antioxidantes, como SOD, GST, GR, CAT e APX, alteração nos níveis de carboidratos e alteração no perfil protéico de frações enriquecidas de membrana plasmática, obtido por eletroforese 2D. O mesmo comportamento foi verificado em células sensíveis tratadas a baixo pH. Pode-se concluir que o sistema antioxidante celular foi ativado na presença de baixo pH ou Al, pela ocorrência de peroxidação lipídica, que gera maiores concentrações de H2O2 nas células sensíveis (fase log). E que existem diferenças no perfil protéico de células tratadas com Al em relação a células mantidas sob condições de cultivo, tanto em presença de spots como em expressão diferencial. Porém estas diferenças necessitam ser melhores exploradas. A peroxidação lipídica é um bom indicador da sensibilidade celular ao Al e ao baixo pH, assim como a ativação do sistema antioxidante e a geração do peróxido de hidrogênio. Poderiam ser realizados experimentos no tempo, medindo-se o acúmulo de Al e relacionando-o aos níveis de peroxidação lipídica, atividade das enzimas antioxidantes e geração do peróxido, para que pudéssemos indicar talvez um processo que se iniciasse antes que outro, ou mesmo que decaísse antes do outro. Assim como um monitoramento das condições de oxidação protéica na presença de Al. / Aluminum limits crop production in all over the world. In acid solis the Al disponibility is larger. Acid soils compose the major part of the brazillian soils. The problem of acidity and Al toxicity results in losses of productivity in agriculture and forestry. The first symptom of Al toxicity is inhibition of root growth. There is many studies that indicate relations between the inhibition of root growth and cell division and expansion alterations. The mechanisms of Al toxicity and resistance aren?t completely understood in plants. The resistance mechanism of Al chelation by organic acid is one of the mechanisms accept, like the elevation of the rizosphere pH by substances exsudated by the root system. Other possible mechanisms that are being mentionated are the alterations in plasma membrane composition and structure, antioxidant cell system activation, alterations in cell signal and alterations in the membrane channels activity. Aluminum cell sensibility depends of the status cellular. The cells that are sensible to Al, are in the log phase of growth and accumulate the metal, whereas the resistant cells do not accumulate and were in the stationary phase of growth. In our work, we observed that the sensible cells are sensible to low pH too. The sensible cells don?t recover their growth rate and cellular viability after the treatment exposition. Sucrose or mannitol confers cellular protection against the Al. The cellular viability was high (next to the control, pH5,6) and the cell culture recovery their growth and viability after the Al or low pH exposition. The protective effect don?t occurs in response to the energetic role of sucrose, because cells treated with mannitol showed the same results and the mannitol did not metabolizated by tobacco BY-2 cells. Al induces lipid peroxidation and protein oxidation in plasma membrane, by the ROS generation promoting the oxidative stress. We found that sensible Al cells showed lipid peroxidation, H2O2 generation, antioxidant enzymes activation (SOD, le carbohydrate levels and protein profile alterations by 2D electrophoresis. The same responses were observed in the pH sensible cells, at log phase of growth. This differences should be more explored. We concluded that the lipid peroxidation is an indicator of sensitivity to Al and low pH, like the antioxidant enzymes activities and the H2O2 generation. Studies should be done with the Al accumulated in time, measuring the activities of antioxidant system and the lipid peroxidation with the objective to indicated what process could start firstly

Made available in DSpace on 2017-07-25T19:29:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarolineJesusCoelho.pdf: 3922070 bytes, checksum: 06fa3d69d093ea4840c9056afcb2a9ff (MD5) Previous issue date: 2011-08-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The aluminum toxicity has limited the potential yield in most crops, especially damage caused by the root system as inhibiting the growth, elongation and absorption of nutrients. The objectives were to standardize the concentration of aluminum and exposure of the roots of seedlings in minimal solution (Ca2+ + Al3+) and subsequently characterize the genetic variability of tolerance to the element in different germplasm (hybrids and landraces). The experiments of the approach of minimal solution in DBC were implanted with three replications. The treatments were arranged in a split plot where the plot studied the effect of doses of Al3+ (0, 2, 4 and 6 mg L-1) and the subplot effect of hybrids, which were exposed for a period of 96 h (1 and 2 experiments) and 48 h (experiment 3). The variables analyzed were the DIF1 (root net growth), DIF2 (root final growth) and their relative differences (DIFR1 and DIFR2). The variables analyzed were effective for assessing the tolerance / sensitivity to aluminum in minimal solution. The results revealed dramatic decline in root growth of all the hybrids with increasing doses of Al3+, based on the square root regression model. The starting dose of 4 mg L-1 the damage is so pronounced that virtually paralyzed the root growth when exposed for 96 h. On the other hand, when the hybrids were exposed for 48 h and the differences in tolerance or sensitivity were seen. In this sense, we standardized for the other experiments (characterization of germplasm), the minimal solution containing 4 mg L-1 + Al3+ + 40 mg L-1 Ca2+ implanted in the DBC with three replications. Germplasm in hybrid maize were carried out two experiments (48 and 96 h of exposure) with a total of 52 hybrids and germplasm experiment with landraces, with 54 treatments: 50 landraces + 4 hybrid control (48 h exposure). The genotypes were evaluated for the same variables as well as classified for the tolerance on the aluminum (ITRAl). Germplasm in hybrid, the analysis showed genetic variability for tolerance or sensitivity to, and Al+3. In general, the exposure period of 96 h significantly reduced the growth / root regrowth. The majority of the hybrids (35) showed a reduction in the value of ITRAl due to the increase of the exposure period, while 15 hybrids responded with an increase in this index. The evaluation of landraces showed very high values of growth / root regrowth as well as a predominance of genotypes (50%) classified as ITRAl ≥ 4, are considered excellent sources of aluminum tolerance. Featured very positive for the landrace Dente de Ouro 2 that showed a value of more than control ITRAl tolerant H 44. Estimates of genetic parameters in two maize germplasm showed high levels of genetic variance and heritability coefficients. These indices indicate very favorable conditions for development and selection of populations improved with increase in frequency of alleles of aluminum tolerance. / A toxidez pelo alumínio tem limitado o potencial de rendimento de grãos na maioria das culturas, principalmente pelos danos ocasionados no sistema radicular como: inibição do crescimento, da elongação e da absorção dos nutrientes. Os objetivos foram padronizar a concentração de alumínio e o tempo de exposição das raízes de plântulas em solução mínima (Al3+ + Ca2+) e posteriormente caracterizar a variabilidade genética para tolerância ao elemento em diferentes germoplasmas (híbridos e variedades crioulas). Os experimentos de adequação da metodologia de solução mínima foram implantados no DBC com três repetições. Os tratamentos foram arranjados em esquema de parcela subdividida, onde na parcela estudou-se o efeito de doses de Al3+ (0, 2, 4 e 6 mg L-1) e na subparcela o efeito de híbridos, que foram expostos por período de 96 h (1° e 2° experimentos) e de 48 h (3° experimento). As variáveis analisadas foram o DIF1 (crescimento radicular líquido), DIF2 (crescimento radicular final) e as respectivas diferenças relativas (DIFR1 e DIFR2). As variáveis analisadas foram eficientes para a avaliação da tolerância/sensibilidade ao alumínio em solução mínima. Os resultados revelaram queda drástica no crescimento radicular de todos os híbridos avaliados com o aumento das doses de Al3+, baseados no modelo de regressão raiz quadrada. A partir da dose 4 mg L-1 os danos são tão acentuados que praticamente paralisaram o crescimento radicular quando expostos por 96 h. Por outro lado, quando os híbridos foram expostos por 48 h as diferenças de tolerância e ou sensibilidade foram visualizadas. Neste sentido, padronizou-se para os demais experimentos (caracterização de germoplasma), a solução mínima contendo 4 mg L-1 de Al3+ + 40 mg L-1 de Ca2+ implantados no DBC com três repetições. No germoplasma de milho híbrido foram realizados dois experimentos (48 e 96 h de exposição) com total de 52 híbridos e um experimento com germoplasma crioulo, com 54 tratamentos: 50 variedades crioulas + 4 híbridos testemunhas (48 h exposição). Os diferentes genótipos foram avaliados para as mesmas variáveis bem como classificados para o índice de tolerância relativa ao alumínio (ITRAl). Na avaliação dos híbridos, a análise revelou variabilidade genética para tolerância e ou sensibilidade ao Al+3. De maneira geral, a exposição por período de 96 h reduziu sensivelmente o crescimento/recrescimento radicular. A grande maioria dos híbridos (35) apresentou redução no valor do ITRAl em função do aumento do período de exposição, embora 15 híbridos responderam com incremento neste índice. A avaliação das variedades crioulas demonstrou valores bastante elevados de crescimento/recrescimento radicular bem como um predomínio de genótipos (50%) classificados com ITRAl ≥ 4, sendo consideradas excelentes fontes de tolerância ao alumínio. Destaque muito positivo para a variedade Dente de Ouro 2 que apresentou valor de ITRAl superior a testemunha tolerante H 44. As estimativas dos parâmetros genéticos nos dois germoplasmas de milho demonstraram elevados valores de variância genética e dos coeficientes de herdabilidade. Estes índices indicam condição muito favorável para o desenvolvimento e seleção de populações melhoradas com incremento na frequência de alelos de tolerância ao alumínio.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Soil acidity is a major limiting factor in crop production. The low solubility of lime is a critical limitation which restricts its dissolution as well as neutralization of soil acidity in the vicinity of its particles. This study aimed to monitor the lime vertical movement and its persistence effects along the soil profile and also to evaluate the influence of lime application methods on the re-acidification process in a long term. Two field experiments were installed in the experimental field area of the Federal University of Santa Maria. The first was installed on a Rhodic Paleudalf soil, and last tillage was carried out on April, 1988 with lime application to increase the 0-20 cm soil layer pH up to 6.0 and thereafter adopted as no-tillage system (NTS). In October 1994, a need for reapplication of lime (3.6 Mg ha-1) was noticed. Therefore, it was decided to install the experiment under following treatments: no lime; a full dose in 1994; a half dose (applied in 1994, 1996 and 1998) and a third dose (applied in 1994, 1995, 1996, 1997 and 1998) in total 0, 3.6, 5.4 and 6.0 Mg ha-1, respectively. The second study was carried out on a Hapludalf under natural pasture with high potential acidity. The main plot consisted of liming, surface or mixed, while the subplots of lime (October 1994) were: 0.0; 2.0; 8.5 and 17.0 (recommended dose to raise pH up to 6.0) Mg ha-1. The dose of 2 Mg ha-1 was surface reapplication during years 1996, 1998 and 2000, with a total of 8 Mg ha-1. In both experiments, in October 2006 and 2012 i.e., after 144 and 216 months of experiment installation, a trench for each plot was developed and soil sample were collected at each 1cm form 1 to 10 cm depth, at each 2.5 cm from 10 to 25 cm depth, at each 5 cm from 25 to 50 cm depth and last from 50 to 60 cm soil layer. In each soil layer, certain chemical attributes were monitored which were associated to the soil acidity. The results showed that even after 24 years of without reapplication of limestone, the release of exchangeable Al and increased potential soil acidity was not enough to reach the levels of soil acidity near to those values observed for the soil (control) in its natural condition. The Liming promotes the formation of an alkalizing medium on the soil surface that slowly advanced to the deeper layers of the soil profile thus softening the acidity of the soil up to 60 cm depth. Lime incorporation accelerated these reaction and thus neutralizing soil acidity rapidly in the layer where the soil was mobilized. The deeper layers where incorporation of lime was not conducted, the remaining products of the dissolution of limestone slowly migrate to the deeper layers of the soil profile in a similar fashion to what occurs when limestone is applied to the soil surface without incorporation. Liming followed by mixing prior to the adoption of the NTS ensures that the soil, especially in subsoil do not present constraints to the development of the root system of plants. So it is concluded that the soil acidity as a result of re-acidification process can be easily neutralized by liming. / A acidez do solo é um dos principais fatores limitantes na produção agrícola. A baixa solubilidade do calcário e a limitação espacial de sua dissolução restringem à neutralização da acidez do solo no entorno de onde estão suas partículas. O presente trabalho objetivou monitorar a migração e a persistência dos efeitos do calcário no perfil do solo em função de métodos de aplicação perante o processo de reacidificação em longo prazo. Dois experimentos de campo instalados na área da Universidade Federal de Santa Maria serviram como base de estudo do presente trabalho. O primeiro deles, instalado num Argissolo Vermelho distrófico arênico, no qual foi feita a última mobilização do solo em abril de 1988 com aplicação de calcário para a elevação do pH do solo da camada de 0 20 cm a 6,0 e foi adotado sistema plantio direto (SPD). Em outubro de 1994, constatou-se necessidade de reaplicação de calcário (3,6Mg ha 1). Optou-se, então, pela instalação do experimento, cujos tratamentos consistiram numa testemunha sem calcário; a dose integral em 1994; a metade da dose (1994, 1996 e 1998) e um terço da dose (1994, 1995, 1996, 1997 e 1998), totalizando 0, 3,6, 5,4 e 6,0 Mg ha 1, respectivamente. O segundo estudo foi instalado num Argissolo Acinzentado distrófico plíntico sob pastagem natural com elevada acidez potencial. A parcela principal constituiu-se da aplicação de calcário, superficial ou incorporado, enquanto as subparcelas, das doses de calcário (outubro de 1994) que foram de: 0,0; 2,0; 8,5 e 17,0 (dose recomendada para pH 6,0) Mg ha-1. A dose de 2 Mg ha-1foi reaplicada em 1996, 1998 e 2000, sempre na superfície, totalizando 8 Mg ha-1. Nos dois experimentos, em outubro de 2006 e 2012, aos 144 e 216 meses após sua instalação, numa trincheira por parcela, coletaram-se amostras de solo em camadas de 1 cm até os 10 cm de profundidade, de 2,5 cm até os 25 cm, de 5 cm até os 50 cm e da camada de 50-60 cm, nas quais foram determinados os atributos químicos relacionados a acidez do solo. Os resultados obtidos mostraram que mesmo após 24 anos sem reaplicar calcário, a liberação de Al trocável e o aumento da acidez potencial não foi suficiente para atingir patamares de acidez próximos dos observados para o solo em sua condição natural. A aplicação superficial de calcário promove a formação de uma frente alcalinizante a partir da superfície do solo que avança lentamente às camadas mais profundas do perfil do solo amenizando a acidez do solo até os 60 cm de profundidade. A incorporação do calcário acelera a sua reação no solo e neutralização da acidez ocorre rapidamente na camada em que o solo foi mobilizado. Abaixo da profundidade de incorporação, o restante dos produtos da dissolução do calcário que não reagiram, migram lentamente para camadas mais profundas do perfil do solo similarmente ao que ocorre quando o calcário é aplicado na superfície, sem incorporação. A aplicação de calcário seguida de incorporação previamente à adoção do SPD é a garantia que o solo, especialmente nas camadas subsuperficias, não apresentará restrições ao desenvolvimento do sistema radicular das plantas. A acidez do solo proveniente da reacidificação do solo é facilmente neutralizada pela calagem superficial.

O alumínio é limitante à atividade agrícola em todo o mundo. Nos solos ácidos a disponibilidade de Al aumenta. Estes solos constituem a maioria dos solos do mundo e dois terços dos solos brasileiros. O problema da acidez do solo e da toxicidade por Al é altamente significativo para as perdas na produtividade agrícola e florestal. Para se ter Al disponível, primeiramente tem que se ter condições de pH baixo. O primeiro sintoma causado pela toxicidade por Al é a inibição no alongamento do sistema radicular. Existem trabalhos vinculando a inibição a alterações nos processos de divisão e expansão celular. Embora os mecanismos de toxicidade e resistência ao Al não estejam totalmente elucidados, admite-se que em algumas plantas, a quelação do Al por ácidos orgânicos é um dos mecanismos que confere resistência das células ao Al, assim como em outras plantas a elevação do pH da rizosfera, por compostos liberados pelo sistema radicular, atua na queda da disponibilidade do Al na solução do solo. Porém, existem outras alternativas que vêm sendo propostas na literatura como possíveis mecanismos de resistência das plantas ao Al, principalmente ao nível celular e molecular. Alterações nas composições lipídica e protéica da membrana plasmática, assim como na sua estrutura física; ativação do sistema antioxidante celular; alterações na sinalização celular e de atividade dos canais de troca da membrana plasmática vêm sendo estudados como possíveis contribuintes para os mecanismos de resistência ao Al. A sensibilidade celular ao Al depende do seu estágio de desenvolvimento. As células sensíveis ao Al acumulam o metal, enquanto que as resistentes acumulam muito pouco. Foi constatado em nosso trabalho que as células sensíveis ao Al também são sensíveis ao baixo pH. As células sensíveis não conseguem recuperar seu crescimento e sua viabilidade celular após a exposição ao Al ou ao baixo pH.A sacarose ou manitol conferiram proteção às células quanto ao acúmulo de Al. Isso fez com que a viabilidade mantivesse-se em níveis próximos ao controle (pH5,6) e a cultura conseguisse recuperar seu crescimento e viabilidade após a exposição ao Al e ao baixo pH. O efeito protetor não foi devido ao caráter energético da sacarose, pois o manitol não é metabolizado pelas células BY-2 e os resultados foram semelhantes quando se usou sacarose ou manitol, nas mesmas concentrações. Sabe-se que o Al aumenta a peroxidação lipídica e a oxidação protéica da membrana plasmática, pela geração de EAO?s, desencadeando o processo de estresse oxidativo na célula. Em nosso estudo, nas células sensíveis houve peroxidação dos lipídios, ativação do sistema de enzimas antioxidantes, como SOD, GST, GR, CAT e APX, alteração nos níveis de carboidratos e alteração no perfil protéico de frações enriquecidas de membrana plasmática, obtido por eletroforese 2D. O mesmo comportamento foi verificado em células sensíveis tratadas a baixo pH. Pode-se concluir que o sistema antioxidante celular foi ativado na presença de baixo pH ou Al, pela ocorrência de peroxidação lipídica, que gera maiores concentrações de H2O2 nas células sensíveis (fase log). E que existem diferenças no perfil protéico de células tratadas com Al em relação a células mantidas sob condições de cultivo, tanto em presença de spots como em expressão diferencial. Porém estas diferenças necessitam ser melhores exploradas. A peroxidação lipídica é um bom indicador da sensibilidade celular ao Al e ao baixo pH, assim como a ativação do sistema antioxidante e a geração do peróxido de hidrogênio. Poderiam ser realizados experimentos no tempo, medindo-se o acúmulo de Al e relacionando-o aos níveis de peroxidação lipídica, atividade das enzimas antioxidantes e geração do peróxido, para que pudéssemos indicar talvez um processo que se iniciasse antes que outro, ou mesmo que decaísse antes do outro. Assim como um monitoramento das condições de oxidação protéica na presença de Al. / Aluminum limits crop production in all over the world. In acid solis the Al disponibility is larger. Acid soils compose the major part of the brazillian soils. The problem of acidity and Al toxicity results in losses of productivity in agriculture and forestry. The first symptom of Al toxicity is inhibition of root growth. There is many studies that indicate relations between the inhibition of root growth and cell division and expansion alterations. The mechanisms of Al toxicity and resistance aren?t completely understood in plants. The resistance mechanism of Al chelation by organic acid is one of the mechanisms accept, like the elevation of the rizosphere pH by substances exsudated by the root system. Other possible mechanisms that are being mentionated are the alterations in plasma membrane composition and structure, antioxidant cell system activation, alterations in cell signal and alterations in the membrane channels activity. Aluminum cell sensibility depends of the status cellular. The cells that are sensible to Al, are in the log phase of growth and accumulate the metal, whereas the resistant cells do not accumulate and were in the stationary phase of growth. In our work, we observed that the sensible cells are sensible to low pH too. The sensible cells don?t recover their growth rate and cellular viability after the treatment exposition. Sucrose or mannitol confers cellular protection against the Al. The cellular viability was high (next to the control, pH5,6) and the cell culture recovery their growth and viability after the Al or low pH exposition. The protective effect don?t occurs in response to the energetic role of sucrose, because cells treated with mannitol showed the same results and the mannitol did not metabolizated by tobacco BY-2 cells. Al induces lipid peroxidation and protein oxidation in plasma membrane, by the ROS generation promoting the oxidative stress. We found that sensible Al cells showed lipid peroxidation, H2O2 generation, antioxidant enzymes activation (SOD, le carbohydrate levels and protein profile alterations by 2D electrophoresis. The same responses were observed in the pH sensible cells, at log phase of growth. This differences should be more explored. We concluded that the lipid peroxidation is an indicator of sensitivity to Al and low pH, like the antioxidant enzymes activities and the H2O2 generation. Studies should be done with the Al accumulated in time, measuring the activities of antioxidant system and the lipid peroxidation with the objective to indicated what process could start firstly

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:06:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Maraisa_Crestani.pdf: 710450 bytes, checksum: 9e2b959663c98382db4575e15096063b (MD5) Previous issue date: 2008-08-29 / The ability to perform experiments under controlled conditions employment of evaluations in controlled environment such as hydroponic culture has attracted crop breeders attention regarding the selection of aluminum (Al) tolerant plants. This strategy facilitates the detection of plant injuries in early stages of development, representing a non-destructive method. Also, the results obtained are highly correlated to field performances of tested genotypes. Different methods have been used to study aluminum tolerance in hydroponic conditions. However, it is necessary to improve the understanding of these techniques in order to optimize their efficiency. Stalling of root growth has become the basis of major procedures evaluating aluminum tolerance of white oat genotypes in hydroponic culture. However, the expression of other characters in plantlets can be associated to tolerance and may turn out to facilitate the indirect selection for this character. Also, this could lead to the adoption of analyses involving all morphological characters. Therefore, standard white oat genotypes were subjected to different methods and Al levels under hydroponic conditions aiming to establish the most effective technique to identify superior aluminum tolerant plants based on root length. In addition, this study aimed to verify the relationship between plantlet characters and their performance in the aluminum tolerance characterization using multivariate statistics. The experimental design was complete randomized blocks with three replications, using three methods: complete nutrient solution with 0, 8, 16 and 32 mg L-1 of Al supplied as Al2(SO4)3.18H2O; complete nutrient solution with 0, 8, 16 and 32 mg L-1 of Al supplied as Al2Cl3.6H2O; and the minim nutrient solution with 0, 1, 3 and 5 mg L-1 of Al supplied as Al2Cl3.6H2O. The complete nutrient solution methods are efficient to identify aluminum tolerant white oat genotypes based on root length. The performance of the plantlet characters is highly correlated with root length in white oat genotypes subjected to the aluminum stress under hydroponic conditions. The nutrient composition and the Al sources employed influence the plant responses. The study based on the joint analysis of plantlet characters does not allow the efficient discrimination of white oats genotypes regarding their level of aluminum tolerance in hydroponic culture when there is a relationship of dependence between the variables. / O emprego de avaliações em ambiente controlado, como o cultivo hidropônico, tem despertado grande interesse dos melhoristas na seleção de plantas tolerantes ao alumínio (Al), pois além da fácil visualização do dano em estádios iniciais de desenvolvimento das plantas, representa um método não destrutivo e que fornece resultados altamente correlacionados aos obtidos em condições de campo. Diferentes metodologias de avaliação quanto à tolerância ao Al em condições de hidroponia têm sido adotadas. No entanto, se faz necessário um entendimento mais aprimorado destas técnicas de seleção a fim de otimizar a obtenção de genótipos tolerantes. A restrição do crescimento radicular tem se tornado a base dos procedimentos de avaliação da tolerância ao Al em aveia branca sob cultivo hidropônico, contudo, a análise da expressão de outros caracteres em nível de plântula pode viabilizar a seleção indireta para este caráter, ou mesma a adoção de análises envolvendo vários caracteres morfológicos simultaneamente. Neste sentido, cultivares de aveia branca padrão para a tolerância ao Al foram submetidas a diferentes protocolos e doses de Al em condições de hidroponia visando determinar a técnica mais efetiva na identificação de plantas superiores para o caráter tolerância ao Al com base no comprimento de raiz, além de verificar a relação entre caracteres em nível de plântula e o desempenho simultâneo na discriminação da tolerância ao Al pelo emprego de estatística multivariada. O delineamento experimental adotado foi o completamente casualizado com três repetições, adotando três protocolos de avaliação: solução nutritiva completa tendo Al fornecido na fonte Al2(SO4)3.18H2O, nos níveis 0, 8, 16 e 32 mg L-1 de Al; solução nutritiva completa e Al adicionado no sal AlCl3.6H2O; e o protocolo solução nutritiva mínima , com Al fornecido na fonte AlCl3.6H2O, nos níveis 0, 1, 3 e 5 mg L-1. Os protocolos caracterizados pela adoção de Al à solução nutritiva completa por meio de distintas fontes são altamente eficientes na identificação de genótipos de aveia branca tolerantes e sensíveis ao Al tóxico com base no comprimento da raiz em condições de hidroponia. O desempenho dos caracteres de plântula está altamente relacionado com o comprimento de raiz em aveia branca quando submetidos ao efeito tóxico do Al em condições de hidroponia, sendo que a composição da solução nutritiva e as fontes de Al empregadas interferem nesta relação. O estudo com base na análise conjunta dos caracteres em nível de plântula não permite a eficiente discriminação de genótipos de aveia branca quanto à tolerância ao Al tóxico em cultivo hidropônico quando há relação de dependência entre as variáveis consideradas.