A expressão do metabolismo ácido crassuláceo (CAM) nas plantas C3-CAM facultativas pode ser fortemente modulada por uma variedade de sinais ambientais e endógenos. Visto que plantas de abacaxizeiro (Ananas comosus, variedade Smooth Cayenne) podem apresentar comportamento fotossintético do tipo C3 ou CAM quando cultivadas in vitro, o presente trabalho buscou analisar a participação de quatro classes hormonais (ácido abscísico, citocininas, auxinas e etileno), do cálcio citossólico (Ca2+cit.) e do óxido nítrico (NO) na regulação da expressão do CAM nessa bromélia. Para tanto, os teores endógenos desses sinalizadores foram quantificados durante a indução e a reversão do CAM em abacaxizeiro. Além disso, também foram realizadas análises do grau de expressão do CAM em plantas tratadas com esses compostos sinalizadores ou com seus inibidores de síntese, transporte ou percepção. Os dados obtidos evidenciaram uma correlação positiva entre os teores endógenos de ácido abscísico (ABA) e a expressão do CAM em abacaxizeiro, uma vez que a indução e a reversão do CAM foram acompanhadas de, respectivamente, aumentos e reduções no conteúdo foliar desse hormônio. Em consonância com esses resultados, o fornecimento de ABA exógeno resultou na indução do CAM em plantas mantidas na ausência de estresse hídrico, indicando, portanto, um efeito estimulatório desse hormônio sobre a expressão do CAM em A. comosus.Entretanto, constatou-se que a inibição do acúmulo de ABA não afetou a indução do CAM em resposta ao estresse hídrico, sugerindo que a transição de C3 para CAM em abacaxizeiro pode ocorrer tanto por uma via de sinalização dependente de ABA quanto por uma via independente de ABA. De modo inverso, os dados indicaram que as citocininas atuariam como reguladoras negativas da expressão do CAM em abacaxizeiro, uma vez que a aplicação desse hormônio inibiu parcialmente a indução do CAM em resposta ao estresse hídrico e, além disso, o conteúdo endógeno das quatro citocininas analisadas foi inversamente proporcional ao grau de expressão do CAM nessa bromélia. As auxinas e o etileno, por sua vez, parecem não estar envolvidos na regulação dos processos de indução e de reversão do CAM em abacaxizeiro. Por outro lado, os dados obtidos indicaram, de forma inédita, um papel sinalizador positivo do NO sobre a expressão da fotossíntese CAM. Verificou-se, por exemplo, que a aplicação de NO exógeno promoveu um aumento considerável na expressão do CAM em plantas de abacaxizeiro e, de modo condizente, foi observado um incremento na produção desse radical livre durante a transição da fotossíntese C3 para CAM em resposta ao estresse hídrico. Além disso, foi interessante constatar que a elevação na síntese de NO nos tecidos foliares de abacaxizeiro ocorreu principalmente no parênquima clorofiliano, sendo este tecido um dos principais alvos das alterações metabólicas necessárias para o estabelecimento da fotossíntese CAM. Os resultados também sugerem que o NO atuaria como um mensageiro secundário do sinal do ABA na indução do CAM, já que a produção desse radical livre aumentou consideravelmente nas plantas tratadas com ABA e, em paralelo, tratamentos com seqüestrador de NO bloquearam parcialmente a indução do CAM em resposta ao ABA. Por fim, os tratamentos com quelante ou ionóforo de cálcio evidenciaram que o aumento na concentração citoplasmática desse íon desempenha uma função crucial na regulação da indução de A. comosus ao CAM em resposta ao estresse hídrico. De acordo com os resultados, alterações na concentração Ca2+ citossólico parecem representar um ponto de convergência entre as vias de sinalização dependente e independente de ABA que levam à indução do CAM em abacaxizeiro. Em conjunto, os dados obtidos no presente trabalho indicam que o ABA, o NO e o Ca2+ citossólico interagem durante os eventos que sinalização que resultam na transição de C3 para CAM em abacaxizeiro, enquanto que as citocininas parecem reprimir a expressão da fotossíntese CAM. / The Crassulacean acid metabolism (CAM) expression in C3-CAM facultative plants can be strongly modulated by a diversity of environmental and endogenous signals. Since pineapple (Ananas comosus, variety Smooth Cayenne) plants can perform either C3 or CAM photosynthesis when grown in vitro, this work attempted to investigate the involvement of four hormonal classes (abscisic acid, cytokinins, auxins and ethylene), cytosolic calcium (Ca2+cit.) and nitric oxide (NO) on the regulation of CAM expression in this bromeliad. To achieve this, the levels of these signaling compounds were measured during the pineapple C3-to-CAM induction and the CAM-to-C3 reversion. Furthermore, the degree of CAM expression in plants treated with these compounds and their inhibitors of synthesis, transport or perception was also analyzed. The data obtained showed that the endogenous levels of ABA were positively correlated with the degree of CAM expression in pineapple, since the C3-to-CAM transition and the CAM-to-C3 reversion in this bromeliad were preceded by, respectively, increases and decreases in the ABA leaf content. Consistent with these results; exogenously applied ABA increased the CAM expression in plants maintained in the absence of water stress, thus, indicating a stimulatory effect of this hormone on the A. comosus CAM expression. However, the inhibition of ABA accumulation did not affect the CAM induction by water stress, suggesting that the pineapple C3-to-CAM transition can occur via both ABA-dependent and ABA-independent signaling pathways. On the opposite, the data indicated that cytokinins act as negative regulators of CAM expression in pineapple, since the adding of this hormone partially inhibited the CAM induction by water stress and, additionally, the endogenous levels of the four cytokinins analyzed were inversely proportional to the degree of CAM expression in this bromeliad. Auxins and ethylene, conversely, seem not to be involved in the regulation of the C3-to-CAM transition and the CAM-to-C3 reversion in pineapple. On the other hand, the data obtained indicated, by the first time, a positive signaling role for the NO on the expression of CAM photosynthesis. For instance, it was observed that the exogenously applied NO increased the CAM expression in pineapple plants and, in agreement; there was an elevation in the production of this free radical during the water stress-induced C3-to-CAM transition. Additionally, the elevation of the NO synthesis in the pineapple leaf tissues occurred mainly in the chlorenchyma, which is the plant tissue responsible for most of the metabolic changes necessary to the CAM photosynthesis establishment. The results also suggested that the NO may act as a second messenger of the ABA signal in the pineapple CAM induction, since the production of this free radical in ABA-treated plants increased considerably and, in parallel, treatments with a NO scavenger partially blocked the ABA-induced C3-to-CAM transition. Finally, treatments with calcium chelator or ionophore indicated that the increase in the cytosolic concentration of this ion plays a crucial role in the regulation of the CAM induction by water stress in A. comosus.According to the results, changes in the concentration of Ca2+ cytosolic seem to represent a convergence point between the ABA-dependent and ABA-independent signaling cascade leading to CAM induction in pineapple. Taken together, the data obtained in the present work indicated that ABA, NO and cytosolic Ca2+ interact during the signaling events leading to the pineapple C3-CAM transition, while the cytokinins seem to repress the expression of CAM photosynthesis.

Plantas com o tipo fotossintético CAM podem suportar condições de baixa disponibilidade de água através de um sistema de concentração de gás carbônico que aumenta a eficiência de uso da água através de uma fixação inicial do CO2 durante a noite, em condições de baixo déficit de pressão de vapor entre a folha e a atmosfera. Esse processo favorece a ocupação de regiões áridas e de sítios onde a água pode se tornar rapidamente indisponível. A ocorrência desse tipo fotossintético abrange uma grande amplitude de táxons, incluindo a família Bromeliaceae. Entre as espécies de Bromeliaceae que apresentam CAM encontra-se Dickya tuberosa, uma espécie que apresenta uma grande abundancia nos afloramentos rochosos associados ao monumento natural da Pedra Grande - Atibaia - SP. Nesse local, D. tuberose apresenta um papel relevante na vegetação associada à superfície de rocha exposta como componente essencial das comunidades denominadas \"ilhas de vegetação\". As condições predominantes no afloramento rochoso da Pedra Grande são de grande escassez de solo e água, além de extrema exposição. As variações na disponibilidade de água no afloramento rochoso seriam devidas, entre outras causas, ao tamanho das ilhas de solo onde D. tuberose ocorre e as características de declividade e orientação da vertente da superfície rochosa onde a ilha esta instalada. A partir das observações no ambiente natural, pergunta-se se os padrões de assimilação em D. tuberose relacionados ao CAM apresenta variações associadas as características das ilhas de solo onde ocorre. Para investigar esta relação, plantas de D. tuberose foram estudadas em campo e em condições semi-controladas em casa de vegetação. A técnica utilizada para caracterização dos padrões de CAM foi a de titulação da acidez do mesofilo. Tanto em grupos experimentais submetidos a períodos distintos de suspensão da rega como em amostras obtidas diretamente do campo, observam-se padrões de variação da acidez que podem ser associados a variações no suprimento hídrico. As variações foram caracterizadas através da diferença na acidez entre o inicio da manha e o final da tarde. A redução na amplitude da variação coincidiu com a intensidade da restrição no suprimento hídrico. Entretanto, a variação foi associada a redução do valor da acidez no final do dia, o que estaria associado a uma redução na recaptura do CO2 durante o período de iluminação. A maior influencia detectada nas plantas em campo foi a umidade relativa do ar. Conjectura-se um papel da assimilação de água através das folhas de D. tuberose como um atributo essencial a ocupação do substrato rochoso na Pedra Grande - Atibaia / Plants with crassulacean acid metabolism are able to support conditions of low availability of water through a carbon dioxide concentration system which increases the efficiency of use of water through an overnight CO2 fixture under low deficit of vapor pressure between the leaf and the atmosphere. This process favors the occupation of arid regions and places where water can quickly become unavailable. The occurrence of this type photosynthetic covers a wide range of taxa, including the Bromeliaceae family. Among the species of Bromeliaceae presenting CAM is Dickya tuberose, a species that has a great abundance on rocky outcrops associated with natural monument of Pedra Grande - Atibaia - SP. At this site, D. tuberose has a role in vegetation associated with surface rock exposed as an essential component of communities called \"vegetation islands\". The conditions prevailing in the rocky outcrop of Pedra Grande are of great scarcity of land and water, and extreme exposure. The variations in water availability in rocky outcrop would be due, among other reasons, the size of the islands where vegetation D. tuberose occurs and the characteristics of inclination and orientation of the slope of the rocky surface where the island is installed. From the observations in the natural environment, wonders whether the patterns of assimilation in D. tuberose related to CAM presents variations associated characteristics of vegetation islands where it occurs. To investigate this relationship, plants of D. tuberose were studied in field and semi-controlled conditions in a greenhouse. The technique used to characterize patterns of CAM was the titration acidity of the mesophyll. In both experimental groups undergoing different periods of suspension of irrigation as in samples obtained directly from the field, there are patterns of variation in acidity that may be associated with variations in water supply. The changes were characterized by the difference in acidity between the early morning and late afternoon. The reduction in amplitude of the variation coincided with the intensity of the restriction in water supply. However, the variation was associated with reduced acidity value at the end of the day, which would be associated with a reduction in the recapture of CO2 during the illumination period. The major influence detected on plants in the field was the relative humidity. It is conjectured a part of the assimilation of water through the leaves of D. tuberose as an essential attribute of the occupation of substrate in Pedra Grande - Atibaia

O metabolismo ácido das crassuláceas (CAM) representa uma importante via de assimilação de carbono fotossintético, caracterizado pela fixação do CO2 atmosférico durante o período da noite, por meio da enzima fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC) e pelo acúmulo noturno de ácidos orgânicos. Nesse tipo de fotossíntese, os estômatos permanecem fechados durante a maior parte do dia e, consequentemente, propicia uma maior eficiência no uso da água quando comparado com plantas C3. Essa adaptação ecofisiológica permite às espécies CAM suportar alterações frequentes na disponibilidade de água no meio ambiente. Guzmania monostachia é uma bromélia epífita com tanque que apresenta a capacidade de alterar seu metabolismo fotossintético, passando de C3 a CAM, em resposta a condições ambientais estressantes, constituindo-se, portanto, num interessante modelo de estudo sobre plasticidade fisiológica. Algumas pesquisas anteriores do nosso laboratório mostraram que diferentes regiões foliares de G. monostachia podem desempenhar funções distintas em resposta à escassez hídrica. Foi visto que a expressão do CAM ocorreu com intensidades diferentes ao longo do comprimento foliar, sendo mais pronunciada na região apical. Um possível direcionamento da água da região basal para apical foi hipotetizado ocorrer, de forma que mesmo em situações de curta restrição hídrica (7 dias), a quantidade de água nos tecidos da porção apical permaneceu praticamente constante. Levando em consideração esses resultados prévios, a presente pesquisa teve como objetivo principal caracterizar o padrão de expressão do CAM nas folhas de diferentes estágios ontogenéticos (folhas jovens, intermediárias e maduras), bem como em suas porções, relacionando com as possíveis variações no estado hídrico durante a imposição da restrição no fornecimento de água por um período de até oito dias. E investigar se as variações do potencial hídrico foliar seriam decorrentes de alterações no acúmulo de ácidos orgânicos e/ou açúcares solúveis nas diferentes porções foliares e nas folhas em diferentes estágios do desenvolvimento. Para tanto, plantas de G. monostachia tiveram a rega suspensa durante oito dias e, posteriormente, elas foram reidratadas por dois dias consecutivos. As coletas foram realizadas nas seguintes condições experimentais: 1) sem suspensão de rega, ou seja, as plantas foram mantidas bem hidratadas (controle), 2) com suspenção de rega por 1, 4 e 8 dias e 3) com retorno à rega após o período de seca (2 dias de reidratação). Amostras de folhas em diferentes fases de desenvolvimento (jovens, intermediárias e adultas) foram divididas em três porções ápice, mediana e base para determinação do potencial hídrico, conteúdo relativo de água e abertura do poro estomático, além dos ensaios da atividade enzimática da PEPC, quantificação de açúcares solúveis e do acúmulo noturno de ácido málico. Os resultados demonstraram que as regiões apical e mediana de todas as folhas pertencentes aos diferentes estágios de desenvolvimento da roseta expressaram o CAM, quando submetidas a uma situação de restrição hídrica por no mínimo quatro dias. A porção apical foi a que apresentou os parâmetros indicativos desse metabolismo de forma mais intensa. Além disso, com a imposição à seca, a transição entre o metabolismo C3 para o CAM clássico parece ocorrer até o quarto dia de suspenção de rega, com abertura dos estômatos predominantemente no período da noite e, ao estender o período de escassez hídrica para oito dias, foi possível observar a transição para o CAM do tipo idling, isto é, com fechamento estomático diuturnamente. Observou-se também, uma redução gradual do potencial hídrico ao longo do período de exposição à seca, principalmente no ápice de folhas de diferentes estágios ontogenéticos. Além disso, o ápice das folhas de todos os grupos ontogenéticos e, em especial, as folhas jovens (incluindo as porções mediana e basal) foram os que não apresentaram redução do conteúdo hídrico durante o tratamento de seca por oito dias. Entretanto, a partição de açúcares solúveis foi alterada, de forma que a porção da basal, a qual inicialmente mantinha as maiores quantidades de carboidratos, apresentou reduções significativas no conteúdo de frutose e glicose com o prolongamento da seca para 8 dias. Já a porção apical, teve um comportamento inverso. Esses resultados sugerem que o tratamento de déficit hídrico pode desencadear um ajuste osmótico tanto nos diferentes grupos foliares da roseta quanto no limbo foliar, direcionando, preferencialmente, o transporte da água às folhas jovens e ao ápice das folhas de diferentes idades. Com a retomada da rega, após um período de déficit hídrico de oito dias, notou-se que apenas dois dias de rega normalizada foram suficientes para que o conteúdo hídrico fosse totalmente recuperado. No entanto, a partição de açúcares solúveis entre as folhas da roseta, não apresentou um padrão semelhante ao controle (plantas bem hidratadas). O metabolismo fotossintético também não foi revertido de CAM para C3, sugerindo ser necessário um período maior de reabastecimento de água no tanque / Crassulacean acid metabolism (CAM) is a photosynthetic CO2 fixation pathway that evolved in some plants. It is characterized by the fixation of atmospheric CO2 during the night, by the enzyme phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and nocturnal organic acid accumulation. In a plant using CAM, the water use efficiency is maximized because the stomata remain closed during daytime and open at night when the relative humidity of the air is higher. Guzmania monostachia, an epiphytic bromeliad, is an interesting plant model because it presents the ability to change its photosynthetic metabolism, from C3 to CAM, in response to stressful environmental conditions. Previously studies demonstrated that different leaf regions of G. monostachia performed distinct functions in response to water stress. In addition, CAM expression was more pronounced in the apical region. Even in situations of water restriction for 7 days, the amount of water in the tissues of the apical portion remained almost constant. Then, the present study hypothesized that the water may be transported from the base to the apex. The present study aimed at characterize the CAM expression pattern in leaf blade and among different foliar groups (younger, intermediate and older leaves), relating them to variations in water status during suspension irrigation for a period of up to eight days. In addition, the present study investigated if the possible variations of the water leaf potential would be due to changes in the accumulation of organic acids and/or soluble sugars in different leaf portions at different foliar ontogenetic groups. Three experimental conditions were carried out: 1) well-watered condition (control), 2) under suspension irrigation (for 1, 4 and 8 days) and 3) rewatered treatment, after drought period (watered daily for two days). Leaf samples of different foliar groups (younger, intermediate and older) were divided into three portions (apex, middle and base) for determination of water potential, relative water content, stomatal aperture, PEPC activity, quantification of soluble sugars and nocturnal malate accumulation. Results indicated that apical and middle portions of all the leaves belonging to different foliar groups of the rosette expressed CAM when watering was suspended for at least four days. The apical portion displayed the most intense parameters indicative of CAM expression. In addition, with drought imposition, the transition from C3 metabolism to classic CAM appears to occur up to the fourth day of irrigation suspension, with stomatal aperture during nighttime. When extending the period of water shortage for eight days, the establishment of a typical CAM-idling pathway, with stomatal closure during day and night, was verified It was also observed a gradual reduction of water potential, during the period of exposure to drought, mainly at the apical of leaves of different foliar groups. At the apex of all foliar ontogenetic groups, and especially the younger leaves (including the middle and basal portions) were those that did not present reduction of water content during the drought treatment for eight days. However, the partition of soluble sugars was altered, so that the basal portion, which initially maintained the highest carbohydrate levels, showed significant reductions in the fructose and glucose content with prolongation of the drought for 8 days. The apical portion had the opposite behavior. These results suggest that drought treatment can trigger an osmotic adjustment both in the different leaf ontogenetic groups of the rosette and of the leaf blade. In this way, the water transport preferably favors the younger leaves and the apical of the different leaf developmental stages. After a period of water deficit, the plants were rehydrated (for two days) and the water content was fully recovered. However, the partition of soluble sugars along the rosette leaves did not present a pattern similar to that observed before of the beginning of the hydration interruption. The photosynthetic metabolism was also not reversed from the CAM to C3, suggesting that a longer tank replenishment period is necessary

Plantas com o tipo fotossintético CAM podem suportar condições de baixa disponibilidade de água através de um sistema de concentração de gás carbônico que aumenta a eficiência de uso da água através de uma fixação inicial do CO2 durante a noite, em condições de baixo déficit de pressão de vapor entre a folha e a atmosfera. Esse processo favorece a ocupação de regiões áridas e de sítios onde a água pode se tornar rapidamente indisponível. A ocorrência desse tipo fotossintético abrange uma grande amplitude de táxons, incluindo a família Bromeliaceae. Entre as espécies de Bromeliaceae que apresentam CAM encontra-se Dickya tuberosa, uma espécie que apresenta uma grande abundancia nos afloramentos rochosos associados ao monumento natural da Pedra Grande - Atibaia - SP. Nesse local, D. tuberose apresenta um papel relevante na vegetação associada à superfície de rocha exposta como componente essencial das comunidades denominadas \"ilhas de vegetação\". As condições predominantes no afloramento rochoso da Pedra Grande são de grande escassez de solo e água, além de extrema exposição. As variações na disponibilidade de água no afloramento rochoso seriam devidas, entre outras causas, ao tamanho das ilhas de solo onde D. tuberose ocorre e as características de declividade e orientação da vertente da superfície rochosa onde a ilha esta instalada. A partir das observações no ambiente natural, pergunta-se se os padrões de assimilação em D. tuberose relacionados ao CAM apresenta variações associadas as características das ilhas de solo onde ocorre. Para investigar esta relação, plantas de D. tuberose foram estudadas em campo e em condições semi-controladas em casa de vegetação. A técnica utilizada para caracterização dos padrões de CAM foi a de titulação da acidez do mesofilo. Tanto em grupos experimentais submetidos a períodos distintos de suspensão da rega como em amostras obtidas diretamente do campo, observam-se padrões de variação da acidez que podem ser associados a variações no suprimento hídrico. As variações foram caracterizadas através da diferença na acidez entre o inicio da manha e o final da tarde. A redução na amplitude da variação coincidiu com a intensidade da restrição no suprimento hídrico. Entretanto, a variação foi associada a redução do valor da acidez no final do dia, o que estaria associado a uma redução na recaptura do CO2 durante o período de iluminação. A maior influencia detectada nas plantas em campo foi a umidade relativa do ar. Conjectura-se um papel da assimilação de água através das folhas de D. tuberose como um atributo essencial a ocupação do substrato rochoso na Pedra Grande - Atibaia / Plants with crassulacean acid metabolism are able to support conditions of low availability of water through a carbon dioxide concentration system which increases the efficiency of use of water through an overnight CO2 fixture under low deficit of vapor pressure between the leaf and the atmosphere. This process favors the occupation of arid regions and places where water can quickly become unavailable. The occurrence of this type photosynthetic covers a wide range of taxa, including the Bromeliaceae family. Among the species of Bromeliaceae presenting CAM is Dickya tuberose, a species that has a great abundance on rocky outcrops associated with natural monument of Pedra Grande - Atibaia - SP. At this site, D. tuberose has a role in vegetation associated with surface rock exposed as an essential component of communities called \"vegetation islands\". The conditions prevailing in the rocky outcrop of Pedra Grande are of great scarcity of land and water, and extreme exposure. The variations in water availability in rocky outcrop would be due, among other reasons, the size of the islands where vegetation D. tuberose occurs and the characteristics of inclination and orientation of the slope of the rocky surface where the island is installed. From the observations in the natural environment, wonders whether the patterns of assimilation in D. tuberose related to CAM presents variations associated characteristics of vegetation islands where it occurs. To investigate this relationship, plants of D. tuberose were studied in field and semi-controlled conditions in a greenhouse. The technique used to characterize patterns of CAM was the titration acidity of the mesophyll. In both experimental groups undergoing different periods of suspension of irrigation as in samples obtained directly from the field, there are patterns of variation in acidity that may be associated with variations in water supply. The changes were characterized by the difference in acidity between the early morning and late afternoon. The reduction in amplitude of the variation coincided with the intensity of the restriction in water supply. However, the variation was associated with reduced acidity value at the end of the day, which would be associated with a reduction in the recapture of CO2 during the illumination period. The major influence detected on plants in the field was the relative humidity. It is conjectured a part of the assimilation of water through the leaves of D. tuberose as an essential attribute of the occupation of substrate in Pedra Grande - Atibaia

Orientador: Marcos Pereira Marinho Aidar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-26T03:32:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pikart_FilipeChristian_M.pdf: 1633217 bytes, checksum: 40896cc3191e7fb0cbac5cb3699d7b31 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: As espécies epífitas estão submetidas a períodos de escassez hídrica devido ao regime intermitente de chuvas e à falta de acesso à água do solo. Entretanto, algumas espécies apresentam estratégias para a manutenção do seu conteúdo hídrico, tais como a expressão do Metabolismo Ácido das Crassuláceas (CAM). Guzmania monostachia é uma bromélia epífita que apresenta regulação positiva do CAM quando submetida a um período de deficiência hídrica. Em trabalho anterior, após sete dias de restrição hídrica, a espécie apresentou um CAM do tipo idling, caracterizado pelo fechamento estomático durante os períodos claro e escuro associado ao acúmulo noturno de ácidos orgânicos. Também foi observado um gradiente funcional ao longo das folhas, onde o ápice apresentou maior número de estômatos, de pigmentos relacionados à fotossíntese e da atividade das enzimas PEPC e MDH, sugerindo maior atividade fotossintética e capacidade para expressão do CAM nessa porção comparativamente às regiões mediana e a basal. Recentemente vem sendo utilizado um modelo de folhas destacadas mantidas em polietileno glicol (PEG) para a indução do déficit hídrico nos estudos com essa bromélia. A partir disso surgiu a necessidade de se obter informações sobre o efeito da aplicação do PEG em plantas inteiras. Dessa forma, o objetivo deste trabalho visou avaliar o metabolismo fotossintético e caracterizar o perfil espacial de carboidratos não estruturais, levando em consideração a divisão funcional existente na folha dessa espécie, ao longo de um período de restrição hídrica imposta pela aplicação de uma solução de PEG 30%. Foram realizadas medidas de assimilação líquida de carbono, transpiração, condutância estomática, coeficiente de extinção não fotossintético e eficiência potencial/operacional do PSII. Amostras foram coletas para a quantificação do teor relativo de água, clorofilas, carotenoides, malato e carboidratos não estruturais. Com a indução do déficit hídrico ocorreu uma redução do conteúdo hídrico e consequentemente houve a regulação positiva do CAM em todas as porções, com destaque para a região mediana no quarto dia de tratamento. Foi possível observar tanto redução quanto acréscimo na expressão do CAM por meio da variação no acúmulo noturno de malato ao longo dos dias. Na situação controle, o padrão diurno de assimilação líquida de CO2 foi semelhante à de uma espécie C3. Porém, associado a esse padrão, ocorreu uma variação noite/dia no conteúdo de malato, caracterizando-a como um CAM cycling. Ao final do período de déficit hídrico, a assimilação de CO2 atmosférico foi restrita a dois breves momentos no dia, não alcançando completamente o CAM idling. Nesse ponto, a reciclagem do CO2 pela formação do malato apresentou importância na redução da perda de carbono. Por meio de um fluorômetro de imagem foi possível, pela primeira vez para essa espécie, observar regiões de maior eficiência do PSII que podem estar relacionadas à disponibilidade de CO2 proveniente da descarboxilação do malato. Quanto à avaliação dos carboidratos não estruturais, o amido apresentou comportamento inverso ao do malato, possivelmente sendo o carboidrato utilizado na formação de fosfoenolpiruvato. Foi observada uma maior quantidade de amido no conjunto ápice/mediana sugerindo uma fonte enquanto que, um maior conteúdo de açúcares solúveis na base sugere um dreno de utilização / Abstract: Epiphytic species are subjected to periods of water shortage resulting from seasonal rainfall and the lack access to ground water. However, some species are capable of inducing Crassulacean Acid Metabolism (CAM) in order to maintain the water content. Guzmania monostachia is an epiphytic bromeliad capable of CAM up-regulating when exposed to water deficit. In a previous study, this species exhibited CAM idling when submitted to drought during seven days. This type of CAM is characterized by closure stomata during day/night and a nocturnal acidification. Additionally, leaf functional gradient was observed: the apex portion present higher stomata density, amount of photosynthetic pigment, and PEPC/MDH activities when compared to the middle and basal portions. Recently, a model with detached leaves maintained in a polyethylene glycol (PEG) solution to induce water deficit has been used in several studies in this bromeliad. Therefore, further information was needed to understand the effect of use PEG in whole plants. Based on those results, this study aimed to evaluate the photosynthetic metabolism and the non-structural carbohydrate spatial distribution along the leaf in this species under drought condition induced by PEG 30%. Measurements of gas exchange, transpiration, stomatal conductance, non-photochemical quenching and potential/operational efficiency of PSII were performed and samples were collected to measure relative water content, chlorophylls, carotenoids, malate and non-structural carbohydrate amounts. In the fourth day of water deficit, the reduction of relative water content resulted in up-regulation of CAM mainly in the middle portion. It was possible to observe up and down-regulation of CAM by variation in nocturnal accumulation of malate along the days. In the control, the pattern of net carbon assimilation was similar to C3 species. However, this pattern was accompanied by variation in dawn/dusk malate, characterizing it as a CAM cycling. At the end of the drought period, the atmospheric CO2 assimilation was restricted to two short periods of the day, without expression of CAM idling. Nevertheless, CO2 recycling for malate formation showed great relevance to decrease carbon loss. For the first time in this species, it was possible to show spots of high efficiency of PSII (using an imaging fluorometer) suggesting a CO2 availability from malate decarboxylation. Among the non-structural carbohydrates analyzed, only starch presented an inverse diel pattern in relation to malate, indicating that this carbohydrate was possibly used to generate phosphoenolpyruvate. The results suggested that apical and middle portions of the leaf would act as a source due to the high starch levels, while the basal portion would be an utilization sink because of elevated sugar amounts / Mestrado / Biologia Vegetal / Mestre em Biologia Vegetal

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Crassulacean acid metabolism (CAM) and the C4 pathway are photosynthetic adaptations that significantly improve plant water use efficiency (WUE). These two CO2-concentrating mechanisms (CCMs) share many similarities, including the pre-fixation of CO2 as organic acids via phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and the subsequent decarboxylation of these acids near the active site of Rubisco. The simultaneous occurrence of both CCMs in the same tissues has long been regarded as biochemically conflicting; however, the existence of Portulaca species that can switch between C4 and CAM pathways within a single leaf challenges this assumption. By monitoring anatomical traits, photosynthetic parameters, nocturnal acid accumulation and transcript abundance of C4- and CAM-related genes, this study aimed to characterize the drought induced changes in CAM expression in both leaf and stem tissues of Portulaca oleracea. CAM was shown to be expressed in an entirely facultative fashion in leaves whereas both ontogenetic and environmental cues seem to control CAM induction in the stem tissues. Data revealed that depending on the environmental conditions and plant age, P. oleracea stems can perform either C3 or CAM, but not C4 photosynthesis. Gas exchange and chlorophyll a fluorescence analysis suggested that the daytime decarboxylation of the organic acids accumulated overnight in CAM- performing leaves supplied CO2 to Rubisco behind closed stomata at sufficient levels to maintain the photosynthetic apparatus integrity and functioning even after prolonged drought exposure. Overall, no marked anatomical changes were observed in P. oleracea leaves or stems during the CAM induction, suggesting that gene expression and metabolism reprogramming may account for most of the C4-to-CAM and C3-to-CAM transition in leaves and stems, respectively. Gene expression data also indicated that the switch between C3 and CAM pathways in the stems requires the transcriptional regulation of a more extensive set of CCM-related genes than the C4-to-CAM transition in the leaves. Altogether, our findings reveal a remarkable photosynthetic plasticity in P. oleracea and provide important clues about the mechanisms behind the compatibility between the C4 and CAM pathways in this plant species / O metabolismo ácido das crassuláceas (CAM) e a via C4 são adaptações fotossintéticas que melhoram significativamente a eficiência no uso da água (WUE). Esses dois mecanismos concentradores de CO2 (CCMs) compartilham semelhanças, incluindo a pré-fixação de CO2 na forma de ácidos orgânicos através da atividade da enzima fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC) e a subsequente descarboxilação desses ácidos próximos ao sítio ativo da Rubisco. A ocorrência simultânea de ambos os CCMs no mesmo tecido é vista como bioquimicamente conflitante; no entanto, a existência de espécies de Portulaca capazes de alternar entre as vias C4 e CAM numa mesma folha desafia essa potencial incompatibilidade. Ao monitorar as características anatômicas, os parâmetros fotossintéticos, o acúmulo noturno de ácidos e a abundância de transcritos de genes relacionados aos comportamentos C4 e CAM, o presente estudo buscou caracterizar as mudanças induzidas pela seca na expressão do CAM em tecidos foliares e caulinares de Portulaca oleracea. Enquanto a ocorrência do CAM nas folhas parece ocorrer de modo totalmente facultativo, tanto fatores ontogenéticos quanto ambientais parecem controlar a expressão desse comportamento fotossintético nos caules. Os dados revelaram que, dependendo das condições ambientais e da idade das plantas, os caules de P. oleracea podem realizar C3 ou CAM, mas não a fotossíntese C4. As análises de trocas gasosas e de fluorescência da clorofila a nas folhas das plantas submetidas à seca sugerem que a descarboxilação diurna dos ácidos orgânicos acumulados durante a noite forneceria CO2 à Rubisco em níveis suficientes para manter a integridade e funcionamento do aparato fotossintetizante mesmo após exposição prolongada à seca. Em geral, nenhuma alteração anatômica marcante foi observada nas folhas ou caules durante a indução do CAM, sugerindo que as reprogramações da expressão gênica e do metabolismo respondem pela maior parte das mudanças associadas à transição de C4 para CAM e de C3 para CAM nas folhas e caules, respectivamente. Dados de expressão gênica também indicaram que a transição entre as vias C3 e CAM nos caules requer alterações no perfil transcricional de um conjunto mais numeroso de genes relacionados aos CCMs do que a transição de C4 para CAM nos tecidos foliares. Em conjunto, as dados obtidos revelam uma notável plasticidade fotossintética em P. oleracea e fornecem pistas importantes sobre os mecanismos responsáveis pela compatibilidade entre as vias C4 e CAM nesta espécie vegetal

The bromeliads are conspicuous elements of the landscape and vegetation of Brazil, in the state of Sergipe occurs in the Atlantic forest ecosystems in the ecotone and caatinga. Bromeliads have an semiarid environment in adaptive capacity to occupy various habitats both on the ground, rocks and trees is partly attributed to its CAM photosynthetic response type obligatory and/or facultative. Isotopic studies to determine the leaf carbon isotope values show that these range from -10 to -28 of PDB standard. This study analyzed the isotopic composition of carbon and nitrogen organic matter and leaf in the crown of Aechmea aquilega at three habitats: Caatinga (white forest sclerophilous), Atlantic forest (Pirambu) and a transition area between Atlantic Forest and Caatinga, an exception area of white sand-quartizose. In each habitat were collected 4 bromeliads that live in isolated bush and four plants in the ground substrates with the objective of evaluating the hypothesis of facilitation of bromeliad-tank as accumulator of organic matter. The leaves and organic matter of the crown leaves were dried in a ventilated oven, crushed, sieved and made isotopic analysis of carbon-13, nitrogen-15, and total C:N on CENA-USP laboratories. The results of analysis of content C: N and isotope ratios showed significant variations of carbon and nitrogen in the crown of leaves, as well as the total abundance in both leaf biomass and particulate organic matter. Plants of Caatinga and Atlantic Forest obligatory assimilate carbon, while the ecotone of the bromeliads, the National Park of Serra de Itabaiana responded as much as in CAM binding to isolated bushes just as the composition of bromeliads is probably of autoctone origin-open grassy areas. The isotope ratio of the 15N is 22 times more enriched in the bromeliad leaf biomass of scrub plants in relation to the white sands and 2.6 higher than in the Atlantic forest habitat, while the particulate organic matter was enriched in all habitats, but the source this organic matter require explanation, however, the study supported the hypothesis on the functional role of facilitation in the three bromeliad habitats. According to the study, we observed that the adaptive success of higher plants associated with scrub bushes when the same was not observed in other habitats. In white sands bromeliads-tank, the substrate is sandy-quartzes hot, highly permeable, facilitating evaporation and drought in the summer suggesting that there is a condition of great stress, which these tank bromeliads are well adapted to soil and not on trees. / Estudos isotópicos para determinar os valores dos isótopos do carbono foliar mostram que estes variam -10 a -28 do padrão PDB. Este estudo analisou a composição isotópica do Carbono e Nitrogênio foliar e a matéria orgânica acumulada na coroa foliar de Aechmea aquilega de três habitats: Caatinga (Poço Verde), Mata Atlântica (Pirambu) e em um área de transição Mata Atlântica Caatinga (Areia Branca). Em cada habitat foi coletado quatro bromélias que vivem em moitas e quatro plantas isoladas em substratos do chão com o objetivo de avaliar a hipótese de facilitação da bromélia-tanque como acumuladora de matéria orgânica. As folhas e a matéria orgânica da coroa foliar foram secas em estufa ventilada, trituradas, peneiradas e as análises isotópicas do carbono, nitrogênio, teor de carbono e nitrogênio total foram realizadas no CENA-USP. Os resultados das analises de teor C:N e razões isotópicas mostraram variações significativas do carbono e nitrogênio na coroa foliar, assim como na abundância total tanto na biomassa foliar como na matéria orgânica particulada. As plantas da Caatinga e Mata Atlântica assimilam carbono facultativamente, enquanto as bromélias do ecótono, Parque Nacional da Serra de Itabaiana responderam como CAM obrigatórias tanto quando em moitas como isoladas, assim como estas bromélias tem composição de origem autóctone provavelmente de áreas abertas-graminosa. A razão isotópica do N15 é 22 vezes mais enriquecido na biomassa foliar das bromélias da Caatinga em relação às plantas das Areias Branca e 2,6 maiores que em habitat de Mata Atlântica, enquanto a matéria orgânica particulada em todos habitats foi enriquecida, porém a origem desta matéria orgânica necessita de explicações, todavia, o estudo apoiou a hipótese de facilitação no papel funcional da bromélia nos três habitats. De acordo com o estudo, foi observado que o sucesso adaptativo maior das plantas da Caatinga quando associada a moitas o mesmo não foi verificado nos outros habitats. Nas Areias Brancas, o substrato arenoso-quartizoso é quente, altamente permeável, favorecendo a evaporação e déficit hídrico no verão o que sugere que haja uma condição de grande estresse, a qual essas bromélias-tanque estão bem adaptadas no solo e não nas árvores.

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Crassulacean acid metabolism (CAM) provides desert plants with distinct advantages over the C3 and C4 photosynthetic pathways in harsh climates where water is scarce. CAM is, however more metabolically costly than C3 or C4 photosynthesis, and some plants, such as Mesembryanthemum crystallinum, facultatively utilize CAM when water is abundant, and water conservation unnecessary. In such situations, these plants behave akin to a C3 plant when photosynthesizing. CAM is divided into four phases, with each phase displaying unique metabolic processes. Certain changes, including changes in the timing of CO2 fixation, stable carbon isotope ratios, and tissue malic acid content accumulation patterns can indicate that a plant has shifted from CAM to C3 photosynthesis. Such shifts have been observed to be regulated primarily by water availability and ontogenic development. While facultative CAM is well documented in species like Mesembryanthemum crystallinum, and it has not been studied extensively in Agave with the exception of Agave deserti, and Agave angustifolia. A better understanding of this phenomenon would apply to the agricultural growth of this genus. This study aimed to trigger C3 to CAM shifts in Agave sensu lato species, in order to expand upon the findings of previous studies, and better understand the prevalence of facultative CAM expression in the genus. Gas exchange and stable carbon isotope measurements were taken from 2-month-old, 10-month-old, and mature agaves grown in controlled ocnditions. Tissue acid content measurements were taken from mature plants. Despite the Agave sensu lato species in this study being subjected to moisture applications ranging from dry to saturated, we were unable to observe any distinct shifts from CAM to C3 photosynthesis in any of the species tested for both seedlings and mature plants. Diel net CO2 fixation rates also increased with age, and water applications for seedlings, and decreased with heavy irrigation in mature plants. Stable carbon isotope ratios revealed that some carbon in the plant tissues was fixed by rubisco, and that some species (Polianthes tuberosa, Prochnyanthes mexicana) had carbon isotope ratios of a C3 plant, but these ratios did not change with different irrigation treatments. Malic acid accumulation remained typical of CAM plants for the species tested as well, with one exception in Polianthes tuberosa. As such, we conclude that the Agave sensu stricto species tested in this study are obligate CAM plants, and that they perform poorly mature individuals are over-watered. Additionally, the Agave sensu lato species P. mexicana, and P. tuberosa appear to be C3 plants given the results of this study.