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Previous issue date: 2014-08-20 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / É comum a suposição de que plantas C4, por sua fotorrespiração desprezível, tenham menor restrição de CO2 quando a transpiração for reduzida pelo fechamento estomático e, consequentemente, maior tolerância à seca. No entanto, esta interpretação foi demonstrada não ser verdadeira e relativamente pouca informação existe sobre a tolerância a deficiência hídrica em plantas C4, em particular, cana-de- açúcar. Aqui analisou-se dois genótipos contrastantes quanto à tolerância à seca, os quais apenas informações empíricas existem, sem dados publicados disponíveis. Embora em pequenos vasos não se observou diferenças entre cultivares, utilizando vasos maiores (30L) e rizotrons longos (1,2 m-38L) demonstramos que a cultivar RB 867515 foi mais tolerante à seca que a cultivar RB 855536, principalmente devido à redução da desidratação foliar e maior massa seca do colmo sob estresse hídrico severo. A tolerância à seca não foi associada com maior massa seca e volume de raízes ou maior relação raiz/parte aérea, mas foi claramente associada com comprimento total e profundidade da raiz sendo que a cultivar tolerante apresentou raízes mais finas e apesar da inferior massa, teve maior área superficial radicular. Este dado é um bom exemplo de como importante para a tolerância à seca é a arquitetura e morfologia das raízes comparada a analise apenas da massa. As trocas gasosas, análise de fluorescência da clorofila a, atividade total de algumas enzimas antioxidantes (SOD, APX e CAT) não contribuíram para tolerância diferencial ao défict hídrico da cultivar RB 867515. Apesar disso, resultados de proteômica diferencial e fosfoproteômica mostraram aumento exclusivo de abundância de 10 de proteínas fotossintéticas sob estresse severo e aumento da fosforilação de 14, sendo 8 exclusivamente na cultivar tolerante. Esta discrepância entre a medição pontual da fotossíntese e a análise sistêmica ilustra a importância desta última abordagem para obter não só uma visão mais integrada das respostas bioquímicas, mas também uma visão mais fiável das respostas de plantas a seca. Estas evidências sugerem que alterações moleculares na fotossíntese podem contribuir para a tolerância à seca em cana devido a sua contribuição parcial para o aumento da biomassa do colmo sob estresse. O maior nível de ABA foliar sob déficit hídrico severo na cultivar tolerante poderia estar envolvido na mudança de profundidade e área superficial radicular, mas não parece contribuir para um comportamento estomático diferencial. Análises do proteoma diferencial e fosfoproteoma das folhas indicam a importância do metabolismo da glutationa na tolerância ao estresse hídrico, embora o genótipo tolerante tenha apresentado maior carbonilação de proteínas e sem diferenças relativas na peroxidação lipídica e extravasamento de eletrólitos. A análise do redoxproteoma não permitiu inferências claras sobre a tolerância à seca sendo que a maior parte de proteínas com carbonilação foram detectadas em genótipos tolerantes. Levando-se em conta o atraso do enrolamento foliar sob estresse e da maior biomassa do colmo, pode-se interpretar que o genótipo tolerante não teve uma queda tão pronunciada no fluxo fotossintético como resultado de uma maior carbonilação, e sugere-se que o aumento na abundância e fosforilação de proteínas envolvidas neste processo seria uma resposta ao aumento da carbonilação observada. A contribuição específica da glicólise na tolerância ao estresse severo também foi visualizada simultaneamente no proteoma diferencial e fosfoproteoma, e o aumento da fosforilação de várias enzimas dessa via não pode ser atribuído ao aumento da abundância relativa das mesmas. Mais uma vez as duas abordagens proteômicas citadas mostroram claras evidências da importância do metabolismo de aminoácidos nas folhas na tolerância à seca, mas a contribuição de diferentes aminoácidos poderem mudar, dependendo do grau de estresse. Essas mudanças na proteômica foram fortemente reforçadas por dados enzimáticos e metabolômicos. Genótipo tolerante apresentou maiores teores de aminoácidos totais sob estresse, e sob estresse severo, níveis mais elevados de cisteína, substrato para biossíntese de glutationa, além de maiores níveis de glicina, serina, lisina, treonina e isoleucina. Estes dados sugerem a importância de vários aminoácidos diferentes para ajuste osmótico, e poderia explicar parcialmente a menor desidratação foliar no genótipo tolerante sob déficit hídrico severo. Outra boa concordância entre os dados de proteômica e metabolômica foi observada para a respiração. Análise funcional do proteoma diferencial e fosfoproteoma claramente indicam o enriquecimento da abundância de enzimas glicolíticas e genes do metabolismo de açúcares no genótipo tolerante. Adicionalmente, os dados de metabolômica indicam níveis mais elevados de glicose, isocitrato, aconitato e malato nesse genótipo, o que sugere que um maior fluxo respiratório suportando o aumento da biossíntese de aminoácidos nas folhas sob estresse possa ser um importante mecanismo de tolerância à seca em cana. Em síntese, este estudo ilustra a natureza poligênica da tolerância à seca, bem como a importância do uso de abordagens sistêmicas para complementar as medidas pontuais, a fim de compreender melhor os mecanismos de resposta das plantas ao déficit hídrico. / Is a quite usual the assumption that C4 plants, because their negligible photorespiration, will have lower CO2 restriction when transpiration will be reduced by stomatal closure and consequently higher drought tolerance. However this interpretation was shown not to be true, and relatively reduced information exist about C4 drought tolerance, in particular, with sugarcane. Here we analyzed two contrasting genotypes regarding drought tolerance, from which only empirical information exist, without any published data available. Although with small pots we were unable to show differences between cultivars, using large pots (30L) and long rizotrons (1,2 m), we have demonstrated that the cultivar RB 867515 was more drought tolerant that cultivar RB 855536, mainly due to reduced leaf dehydration and higher culm dry mass under severe water stress. Drought tolerance was not associated with higher root dry mass and root volume or higher root/shoot ratio, but was clearly associated with individual root length, root deepness, and the tolerant cultivar have thinner roots, and despite lower root mass, have higher root surface area. This data is a good picture how more important for drought tolerance is root architecture and morphology than root mass. Gas exchange, chlorophyll a fluorescence analysis and total activity of some antioxidative enzymes (SOD, APX and CAT) do not contribute for the differential drought tolerance of cultivar RB 867515. Despite that, differential proteomics and phosphoproteomics shows an exclusive increase of abundance of 10 photosynthesis proteins under severe stress, and increase in phosphorylation of 14 of then, 8 exclusively in the tolerant. This discrepancy between single time point measurement of photosynthesis and systemic analysis illustrate the importance of this last approach to get not only a more integrated picture of biochemical responses, but also a more reliable time picture of the whole drought plant responses. These evidences suggest that molecular changes in photosynthesis could contribute to drought tolerance in sugarcane, due its partial contribution to the increased culm biomass under stress. The higher leaf ABA under severe water deficit of tolerant cultivar could be involved in the change of root deep and root surface area, but do not seems to contribute to a differential stomatal behavior. Differential proteomics and phosphoproteomics analysis of leafs indicate the importance of glutathione metabolism in water deficit tolerance, although the tolerant genotype has higher protein carbonilation and no relative differences in lipid peroxidation and electrolyte leakiness. The redox proteomics analyses do not allow clear inferences about drought tolerances, and the greater part of proteins with carbonilation were detected in tolerant genotypes. Taking in account the delay of leaf rolling under stress and the high culm biomass, we could interpret that tolerant genotype do not have a so pronounced decrease in photosynthetic flux, which could result in higher carbonilation, and could suggest that increase in protein abundance and phosphorylation of proteins involved in this process as an response to the increased oxidative carbonilation observed. The specific contribution of glycolysis in tolerance to severe stress was also simultaneously sustained by differential proteomics and fosfoproteomics, and increase in phosphorilation of several enzymes of this pathway could not be attributed to the abundance increase of them. Again both proteomic approaches cited have gave clear evidences of the importance of amino acid metabolism in leaves for drought tolerance, but the contribution of different amino acids could change depending of the stress degree. These changes in proteomics are strongly reinforced by enzymatic and metabolomics data. Tolerant genotype have higher total amino acids under stress, and under severe stress, higher levels of cysteine, substrate for glutathione biosynthesis, besides higher increases in glycine, serine, lysine, threonine and isoleucine. This data clear suggest the importance of several different amino acids to osmotic adjustment, and could partially explain the lower leaf dehydration of tolerant genotype under severe water deficit. Other good agreement between proteomic and metabolomics data is observed for respiration. Topological analysis of differential proteomics and phosphoproteomics clear indicates the enrichment of the abundance of glycolytic enzymes and sugar metabolism genes in the tolerant genotype. Additionally, metabolomics data indicates the higher levels of glucose, isocitrate, aconitate and malate in this genotype, which strongly suggest that an higher increase in respiration flux to support increased amino acid biosynthesis in leaves under stress could be an important mechanism for drought tolerance in sugarcane. This study offers a good picture to illustrate the polygenic nature of drought tolerance, and the importance of the use of systemic approaches to complement single time point measurements, in order to better understand the mechanism of plant responses to water deficit.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:localhost:123456789/6823 |
| Date | 20 August 2014 |
| Creators | Vital, Camilo Elber |
| Contributors | Ramos, Humberto Josué de Oliveira, Nesi, Adriano Nunes, Loureiro, Marcelo Ehlers |
| Publisher | Universidade Federal de Viçosa |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFV, instname:Universidade Federal de Viçosa, instacron:UFV |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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