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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/4416 |
| Date | 21 May 2010 |
| Creators | Pereira, Luciane Belmonte |
| Contributors | Schetinger, Maria Rosa Chitolina, Morsch, Vera Maria, Athayde, Margareth Linde, Pereira, Maria Ester, Dalcol, Ionara Irion, Fett, Janette Palma |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas: Bioquímica Toxicológica, UFSM, BR, Bioquímica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 200800000002, 400, 500, 300, 300, 300, 300, 500, 300, f2c5f39c-089e-4825-bfba-cc66b9098981, cc7245ad-289f-4343-bde4-74951cfcda02, 9227bb2a-c899-462e-a539-e62d455015a6, 9098c128-d20e-493b-8166-fd5bad2488f1, 276bcfc2-822c-4d05-88f0-be6c067a20c1, 11b367fb-0eed-426e-9ab5-e42e52a8d098, e271fcfd-884e-4e04-9482-9ccd17bdf31a |
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