Embora a água seja o componente mais abundante na natureza, ela é o fator limitante mais comum para o desenvolvimento das plantas. O estresse hídrico é um dos principais fatores abióticos que afeta os organismos vivos, incluindo as plantas epífitas. Esse sinal ambiental atua fortemente e seletivamente sobre a sobrevivência dessas plantas. Algumas espécies vegetais possuem a capacidade de alterar seu metabolismo fotossintético, sendo induzidas ao metabolismo ácido das crassuláceas (CAM) em resposta a escassez d\'água. Vriesea gigantea é uma bromélia C3 tanque-epífita que pode estar sujeita a variações ambientais, como a sazonalidade hídrica. A expressão facultativa do CAM pode ser de extrema importância para essa bromélia lidar com a restrição hídrica sazonal. O CAM é uma adaptação caracterizada principalmente pela fixação do carbono atmosférico durante a noite por meio da enzima fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC). Em decorrência do fechamento estomático na maior parte do dia, a eficiência no uso da água das plantas CAM é maior do que a das plantas que realizam as fotossínteses C3 ou C4. O CAM pode ser expresso em diferentes intensidades o que levou à caracterização de diversos tipos de CAM, como o C3-CAM facultativo. Estudos sobre o metabolismo fotossintético com Vriesea gigantea são raros na literatura. Apesar de V. gigantea ser considerada uma planta C3 na literatura, resultados preliminares obtidos em nosso laboratório, utilizando folhas destacadas, sugeriram que essa espécie seria CAM-\"cycling\" quando bem hidratada e sob déficit hídrico passaria a expressar o CAM-\"idling\" na porção apical das folhas. Portanto, tendo em vista essa aparente contradição, nos propusemos a fazer um estudo mais aprofundado sobre o comportamento fotossintético de V. gigantea . Para tanto, plantas dessa espécie (± 4 anos de idade) foram submetidas ao déficit hídrico por 7, 14 ou 21 dias por meio da suspensão de rega no tanque. Após o tratamento, as folhas dessa bromélia foram separadas em 3 grupos: jovens (G1) ( 1º ao 7º nó), intemediárias (G2) (8º ao 14º nó) e maduras (G3) (15º ao 21º nó). Os parâmetros utilizados para a análise da expressão do CAM foram as atividades das enzimas fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC) e malato desidrogenase (MDH), juntamente com o acúmulo noturno de ácidos orgânicos (malato e citrato) nos diferentes grupos e porções foliares (ápice, mediana e base). Para melhor compreensão do metabolismo fotossintético, foi realizado um ciclo complementar de 24 horas, detalhando melhor a dinâmica do malato e citrato nas folhas de V. gigantea no 21º dia de deficiência hídrica. Para conhecer o \"status\" hídrico das plantas, foram determinados o potencial hídrico e o teor relativo de água (TRA) por meio das análises de massa fresca, massa túrgida e massa seca. Ao final do período de 21 dias de suspensão de rega, as plantas alcançaram o nível mais baixo de potencial hídrico o qual se estabilizou, indicando que V. gigantea possivelmente estava sob estresse hídrico. A queda do TRA já tinha sido observada, no entanto, a partir do 14º dia de déficit hídrico, sendo mais intenso no 21º dia. Notou-se uma tendência de remobilização hídrica entre os tecidos foliares dessa planta, principalmente de folhas maduras (G3) para folhas jovens (G1). Após 21 dias de deficiência hídrica, as atividades enzimáticas de PEPC e MDH apresentaram um comportamento que não seguiu um padrão de expressão característico do CAM, ou seja, uma alta atividade noturna de PEPC e MDH em situação de deficiência hídrica. A princípio, encontrou-se um acúmulo noturno de ácidos orgânicos (malato e citrato) no grupos foliares G1, G2 e G3 ao longo dos 21 dias de tratamento. Entretanto, foi observado no ciclo de 24 horas de acúmulo de ácidos orgânicos, que essa variação de malato e citrato encontrada inicialmente, era decorrente de pequenas flutuações e que estas não estariam relacionadas ao CAM. Assim, sugere-se que V. gigantea não utilize o CAM como estratégia de evitação à seca. Conjuntamente, observou-se um acúmulo de açúcares solúveis ao longo do ciclo de 24 horas em todas as porções foliares, indicando que Vriesea gigantea apresenta, talvez, mecanismos eficientes de abaixamento de seu potencial hídrico, acumulando compostos que possuem função osmoreguladora (glicose e frutose, por exemplo). Essa estratégia pode ser considerada como um mecanismo importante que ajudaria a tolerar o período de estresse hídrico de 21 dias de suspensão de rega no tanque / Although water is the most abundant component in nature, it is also the most common limiting factor for plant growth. Drought stress is a major abiotic factor that affect living organisms, including epiphytes. This environmental signal acts strongly and selectively on the survival of plants. Some plant species have the ability to change their photosynthetic metabolism, being induced to crassulacean acid metabolism (CAM) in response to water shortage. Vriesea gigantean is a C3 epiphyte tank bromeliad that may be subject to environmental variations such as the water seasonality. The facultative expression of CAM can be extremely important for this bromeliad deal with seasonal water restriction. CAM is an adaptation characterized mainly by the fixation of atmospheric carbon overnight by phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), to power photosynthesis during daytime with closed stomata. As a result, the water use efficiency of CAM plants is higher than that of the plants that perform photosynthesis C3 or C4. CAM can be expressed in different intensities leading to the characterization of various types of CAM, such as C3-CAM facultative. Studies on the photosynthetic metabolism with Vriesea gigantean are rare in the literature. Although V. gigantean is considered a C3 plant, preliminary results obtained in our Laboratory using detached leaves suggested that this species would become CAM-cycling when well hydrated, while under water deficit it would express CAM-idling in the apical portion of the leaves. Therefore, in light of this apparent contradiction, we set out to further study the photosynthetic behavior of V. gigantean. Plants of this species (± 4 years) were submitted to drought for 7, 14 or 21 days by suspending watering in the tank. After the treatment, the leaves of this bromeliad were separated into 3 groups: young (G1) (1st to 7th node), intermediate (G2) (8th to 14th node) and mature (G3) (15th to 21th node). The parameters used for the analysis of CAM expression were the activities of the enzymes phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and malate dehydrogenase (MDH), along with nighttime accumulation of organic acids (malate and citrate) in the different groups and leaf portions (apex, middle and base). To better understand the photosynthetic metabolism, there was a complementary 24-hour cycle, further detailing the dynamics of malate and citrate in V. gigantean leaves on the 21st day of water stress. To evaluate the water status of the plants, water potential and relative water content (TRA) were determined, the latter through the fresh, turgid and dry weight analysis. At the end of 21 days of watering suspension, the plants reached the lowest level of water potential, indicating that the plants were under drought stress. The drop in the TRA had already been noted, however, from the 14th day of water stress, intensifying in the 21th day. A tendency of water remobilization among the leaf tissues of the plant, especially from mature leaves (G3) to young leaves (G1) was observed. After 21 days of drought, the enzymatic activities of PEPC and MDH showed a behavior that did not follow a characteristic pattern of expression of CAM, i.e. a high nocturnal activity of PEPC and MDH in water stress situation. Initially it was found a nighttime accumulation of organic acids (citrate and malate) on the leaf groups G1, G2 and G3 during the 21 days of treatment. However, it was observed in a 24-hour quantification of organic acids that the variation of malate and citrate concentrations found initially was due to small fluctuations probably unrelated to CAM. Thus, it is suggested that V. gigantean can not undergo CAM as an avoidance strategy to drought. We observed an accumulation of soluble sugars over the 24 hour cycle in all leaf portions, indicating that Vriesea gigantean has perhaps efficient mechanisms to lower its water potential by accumulating compounds with osmorregulator function (glucose and fructose, for example). This strategy can be seen as an important mechanism that helps tolerate water stress during 21 days of watering suspension in the tank

Guzmania monostachia é uma bromélia tanque epífita C3-CAM facultativa, constituindo-se em um modelo muito interessante para estudar a sinalização que ocorre na transição da fotossíntese C3 para CAM. Baseado em resultados obtidos pelo Laboratório de Fisiologia Vegetal do IBUSP, constatou-se que a mudança em questão se dá de forma diferente ao longo do comprimento das folhas dessa espécie, sendo muito mais pronunciada na região apical do que na basal. Outra pesquisa, desenvolvida anteriormente no mesmo laboratório, sugere fortemente que na indução ao CAM, em plantas jovens de abacaxizeiro C3, o óxido nítrico (NO) e o ácido abscísico (ABA) atuam como mediadores dessa resposta. Levando em conta esses fatos, o presente trabalho visou caracterizar a participação do NO e do ABA como sinalizadores do CAM em uma bromélia que é reconhecidamente C3-CAM facultativa na natureza. Além disso, suas folhas apresentam diferentes níveis de expressão do CAM ao longo do comprimento, podendo, assim, constituir-se em um ótimo modelo para estudos de sinalização. Também se buscou, nesta pesquisa,saber se seria possível reduzir o modelo de estudo para folhas destacadas, não necessitando empregar a planta inteira nos experimentais. Após a comparação da fotossíntese entre folhas pertencentes a plantas inteiras e folhas destacadas, concluiu-se que é viável trabalhar com as folhas isoladas.Essas foram induzidas ao CAM por déficit hídrico, proporcionado por uma solução de polietilenoglicol (PEG) na concentração de 30%. O acúmulo noturno de acidez e a atividade das enzimas fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC) e malato desidrogenase (MDH) em três porções foliares (porção basal, mediana e apical) foram usadas para caracterizar o grau de expressão do CAM. O conteúdo d\'água (expresso em porcentagem)foi usado como um indicativo da perda d\'água pelo tecido foliar.A participação do NO no processo de indução ao CAM foi avaliado por meio de dosagens por quimioluminescência, espectrofluorimetria e localização in situ por microscopia de fluorescência. Também foi usado um doador desse radical livre, o nitroprissiato de sódio (SNP). O ABA foi quantificado pela técnica de cromatografia a gás acoplada a espectrômetro de massas (GC-MS). As folhas mudaram seu metabolismo fotossintético de C3 para CAM no sexto dia de incubação com PEG (segundo o acúmulo noturno de ácidos e a atividade da enzima PEPC), mas a primeira queda detectável no teor d\'água ocorreu logo nas 12 primeiras horas, aumentando até 24ª hora. Nos dias seguintes (até o 7º), o menor teor de água foi encontrado na região basal da folha, enquanto que o CAM se expressou com maior intensidade na porção apical, sugerindo a existência de uma sinalização da redução hídrica entre a parte basal e a apical da folha. De fato, foram detectados maiores quantidades de ABA, em resposta ao déficit hídrico imposto pelo PEG, ao longo de todo o comprimento foliar, com maior quantidade na região apical. Teores significativamente maiores de NO foram detectados por espectrofluorimetria nos últimos três dias de experimento, apenas na região apical. A citolocalização do NO corroborou a quantificação por espectrofluorimetria, mostrando um aumento a partir do sexto dia nos ápices foliares. Conclui-se, portanto, que tanto o NO quanto o ABA parecem participar da sinalização do CAM. Possivelmente, o ABA desempenha um papel decisivo quanto à sinalização da diminuição do teor d\'água, devido ao seu aumento em todo o comprimento da folha,enquanto que o NO parece atuar como um mensageiro secundário, importante à indução do CAM na porção apical foliar. / Guzmania monostachia is a C3-CAM facultative epiphyte tank bromeliad and a very promising model to study the C3 to CAM transition. Results obtained on the Laboratory of Plant Physiology on IBUSP showed that this transition occurs differently along the leaf blade o this species, as it is much stronger on the apical portion of the leaf, when compared to the basal one. Another research, from the same group, strongly suggests that on the induction of CAM in young pineapple plants is mediated by abscisic acid (ABA) and nitric oxide (NO). Based on both of these results, this work intends to characterize the role of NO and ABA in CAM signaling, using as a model of study a species which is generally accepted to be a facultative CAM on natural conditions. Besides that, G. Monostachia shows different degrees of CAM along the leaf blade, which makes an interesting model of it for signaling studies. It was also attempted to use detached leaves as a valid model of study for this species. Since no remarkable differences were detected between an experiment performed with whole plants or detached leaves alone, it was chosen to carry over the work using only detached leaves. The induction of CAM was performed by drought, using a 30% polyethyleneglycol (PEG) solution. The nocturnal acid accumulation and the activity of phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and malate dehydrogenase (MDH) enzymes were measured in three portions of the leaf (basal, middle and apical). The water amount was indicative of the water loss on foliar tissues. NO participation was assessed through chemioluminescence, spectrofluorimetry and in situ localization by fluorescence microscopy. A NO donor was also used. ABA was quantified by gas chromatography associated with mass spectrometry (GC-MS). The leaves changed the photosynthetic metabolism from C3 to CAM on the sixth day after the beginning of PEG exposure (as stated by the nocturnal acid accumulation and PEPC activity), but the decrease in water amount values started soon, after 12 hours of exposure, and stabilizing after 24 hours. The major loss of water percentage was detected on the basal portion, persisting until the seventh day, while on the apical portion, after two days the control and PEG-treated leaves remained similar. Since the C3-CAM change occurred in the apical portion, it is possible to suggest a signal transport from the base to the apex of the leaf in response to water loss. Indeed, the ABA levels remained higher with the water loss along the whole leaf, but with greater intensity on the apical portion. Higher NO levels were also detected on PEG-treated leaves, but only on the apical portion. The in situ localization of NO corroborates the spectrofluorimetry, showing an increase on the sixth day after PEG exposure on the leaf apex. In conclusion, both NO and ABA seem to participate on the signaling of CAM. Possibly, ABA plays a decisive role on indicating drought, because it increases on the whole leaf subjected to PEG, while NO is, maybe, a secondary signal, specific to processes that occur only on the apical portion, such as the CAM induction.

Guzmania monostachia é uma bromélia tanque epífita C3-CAM facultativa, constituindo-se em um modelo muito interessante para estudar a sinalização que ocorre na transição da fotossíntese C3 para CAM. Baseado em resultados obtidos pelo Laboratório de Fisiologia Vegetal do IBUSP, constatou-se que a mudança em questão se dá de forma diferente ao longo do comprimento das folhas dessa espécie, sendo muito mais pronunciada na região apical do que na basal. Outra pesquisa, desenvolvida anteriormente no mesmo laboratório, sugere fortemente que na indução ao CAM, em plantas jovens de abacaxizeiro C3, o óxido nítrico (NO) e o ácido abscísico (ABA) atuam como mediadores dessa resposta. Levando em conta esses fatos, o presente trabalho visou caracterizar a participação do NO e do ABA como sinalizadores do CAM em uma bromélia que é reconhecidamente C3-CAM facultativa na natureza. Além disso, suas folhas apresentam diferentes níveis de expressão do CAM ao longo do comprimento, podendo, assim, constituir-se em um ótimo modelo para estudos de sinalização. Também se buscou, nesta pesquisa,saber se seria possível reduzir o modelo de estudo para folhas destacadas, não necessitando empregar a planta inteira nos experimentais. Após a comparação da fotossíntese entre folhas pertencentes a plantas inteiras e folhas destacadas, concluiu-se que é viável trabalhar com as folhas isoladas.Essas foram induzidas ao CAM por déficit hídrico, proporcionado por uma solução de polietilenoglicol (PEG) na concentração de 30%. O acúmulo noturno de acidez e a atividade das enzimas fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC) e malato desidrogenase (MDH) em três porções foliares (porção basal, mediana e apical) foram usadas para caracterizar o grau de expressão do CAM. O conteúdo d\'água (expresso em porcentagem)foi usado como um indicativo da perda d\'água pelo tecido foliar.A participação do NO no processo de indução ao CAM foi avaliado por meio de dosagens por quimioluminescência, espectrofluorimetria e localização in situ por microscopia de fluorescência. Também foi usado um doador desse radical livre, o nitroprissiato de sódio (SNP). O ABA foi quantificado pela técnica de cromatografia a gás acoplada a espectrômetro de massas (GC-MS). As folhas mudaram seu metabolismo fotossintético de C3 para CAM no sexto dia de incubação com PEG (segundo o acúmulo noturno de ácidos e a atividade da enzima PEPC), mas a primeira queda detectável no teor d\'água ocorreu logo nas 12 primeiras horas, aumentando até 24ª hora. Nos dias seguintes (até o 7º), o menor teor de água foi encontrado na região basal da folha, enquanto que o CAM se expressou com maior intensidade na porção apical, sugerindo a existência de uma sinalização da redução hídrica entre a parte basal e a apical da folha. De fato, foram detectados maiores quantidades de ABA, em resposta ao déficit hídrico imposto pelo PEG, ao longo de todo o comprimento foliar, com maior quantidade na região apical. Teores significativamente maiores de NO foram detectados por espectrofluorimetria nos últimos três dias de experimento, apenas na região apical. A citolocalização do NO corroborou a quantificação por espectrofluorimetria, mostrando um aumento a partir do sexto dia nos ápices foliares. Conclui-se, portanto, que tanto o NO quanto o ABA parecem participar da sinalização do CAM. Possivelmente, o ABA desempenha um papel decisivo quanto à sinalização da diminuição do teor d\'água, devido ao seu aumento em todo o comprimento da folha,enquanto que o NO parece atuar como um mensageiro secundário, importante à indução do CAM na porção apical foliar. / Guzmania monostachia is a C3-CAM facultative epiphyte tank bromeliad and a very promising model to study the C3 to CAM transition. Results obtained on the Laboratory of Plant Physiology on IBUSP showed that this transition occurs differently along the leaf blade o this species, as it is much stronger on the apical portion of the leaf, when compared to the basal one. Another research, from the same group, strongly suggests that on the induction of CAM in young pineapple plants is mediated by abscisic acid (ABA) and nitric oxide (NO). Based on both of these results, this work intends to characterize the role of NO and ABA in CAM signaling, using as a model of study a species which is generally accepted to be a facultative CAM on natural conditions. Besides that, G. Monostachia shows different degrees of CAM along the leaf blade, which makes an interesting model of it for signaling studies. It was also attempted to use detached leaves as a valid model of study for this species. Since no remarkable differences were detected between an experiment performed with whole plants or detached leaves alone, it was chosen to carry over the work using only detached leaves. The induction of CAM was performed by drought, using a 30% polyethyleneglycol (PEG) solution. The nocturnal acid accumulation and the activity of phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and malate dehydrogenase (MDH) enzymes were measured in three portions of the leaf (basal, middle and apical). The water amount was indicative of the water loss on foliar tissues. NO participation was assessed through chemioluminescence, spectrofluorimetry and in situ localization by fluorescence microscopy. A NO donor was also used. ABA was quantified by gas chromatography associated with mass spectrometry (GC-MS). The leaves changed the photosynthetic metabolism from C3 to CAM on the sixth day after the beginning of PEG exposure (as stated by the nocturnal acid accumulation and PEPC activity), but the decrease in water amount values started soon, after 12 hours of exposure, and stabilizing after 24 hours. The major loss of water percentage was detected on the basal portion, persisting until the seventh day, while on the apical portion, after two days the control and PEG-treated leaves remained similar. Since the C3-CAM change occurred in the apical portion, it is possible to suggest a signal transport from the base to the apex of the leaf in response to water loss. Indeed, the ABA levels remained higher with the water loss along the whole leaf, but with greater intensity on the apical portion. Higher NO levels were also detected on PEG-treated leaves, but only on the apical portion. The in situ localization of NO corroborates the spectrofluorimetry, showing an increase on the sixth day after PEG exposure on the leaf apex. In conclusion, both NO and ABA seem to participate on the signaling of CAM. Possibly, ABA plays a decisive role on indicating drought, because it increases on the whole leaf subjected to PEG, while NO is, maybe, a secondary signal, specific to processes that occur only on the apical portion, such as the CAM induction.

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

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

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