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Previous issue date: 2017-02-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O alumínio (Al) é o elemento metálico mais abundante da crosta terrestre. Sua toxidez depende não somente da concentração total de Al no solo, mas também da forma química, a qual é altamente dependente do pH do solo. Em solos ácidos (com pH menor que 5,5), o Al é solubilizado e formas tóxicas como Al 3+ (Al trocével) são liberadas na rizosfera, interferindo no crescimento e funcionamento das raízes e limitando a produtividade das culturas. Apesar disso, a vegetação natural que cresce em solos ácidos, como os do Cerrado, tem desenvolvido estratégias para lidar com altas concentrações de Al 3+ , mas, infelizmente, pesquisas focando seus mecanismos de resistência ainda são escassas. Neste estudo nós testamos a hipótese de que as estratégias de resistência ao Al são características constitutivas e não dependem da concentração do metal nos solos. Para isso, foram determinados a concentração e os sítios de deposição de Al na parte aérea de plantas de Eugenia dysenterica, Qualea parviflora e Q. multiflora, espécies nativas do Cerrado crescendo naturalmente em solos ácidos com fertilidade e toxidez de metais variável. As adaptações nutricionais e metabólicas destas plantas tamém foram analizadas. As concentrações de Al e nutrientes nas amostras de solo foram determinadas por microfluorescência de raios-x por energia dispersiva (μFRXED), enquanto que nas amostras vegetais elas foram avaliadas por espectrometria de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado e μFRXED. O mapeamento do Al nas amostras vegetais foi realizado por teste histoquímico, sonda de raios-x acoplada à microscopia eletrônica de varredura e μFRXED. As adaptações metabólicas foram avaliadas por análises espectrofotométricas e de cromatografia gasosa com espectrometria de massas. E. dysenterica cerca de 0,5 g Al kg -1 MS na parte aérea. Em contraste, a concentração do metal na parte aérea de Q. parviflora e Q. multiflora foi maior que 15,0 e 20,0 g Al kg -1 MS, respectivamente, em todos os sítios de coleta. Q. parviflora foi capaz de hiperacumular Al mesmo em solo com concentração negligenciável de Al +3 . As paredes pectocelulósicas foram os principais sítios de depósito de Al, mas ele também foi localizado em paredes celulares suberificadas e cloroplastos. A concentração de Al nas espécies apresentou diferentes correlações com os atributos químicos dos solos. Em Q. parviflora e E. dysenterica, ela foi positivamente correlacionada com solos mesotróficos, e em Q. multiflora com solos distróficos. Em geral, os níveis de nutrientes em E. dysenterica foram menores e mais influenciados pela concentração de Al total no solo, contudo, não foi observada deficiência nutricional. Os níveis de K, P e S em Q. multiflora foram aumentados em plantas com maior acúmulo de Al. As análises metabólicas demonstraram que os níveis de clorofila, nitrato, aminoácidos totais, proteínas insolúveis, fenóis e substâncias reativas com ácido tiobarbitúrico foram maiores em folhas de E. dysenterica. Em contraste, Q. parviflora teve maior concentração de tióis não proteicos e foi mais eficiente em evitar a peroxidação lipídica. A síntese de osmólitos compatíveis e de desidroascorbato foi aumentada em ambas as espécies em solos com alta toxidez de metais. Q. parviflora também apresentou níveis aumentados de malato e succinato. A análise conjunta dos resultados confirma a hipótese de que a natureza não acumuladora de E. dysenterica e a hiperacumuladora de Al das espécies de Qualea não depende da concentração de Al nos solos e suporta a teoria de que espécies adaptadas a solos ácidos têm mecanismos que as permitem lidar com a toxidez do Al e evitar a deficiência nutricional induzida por este metal. Q. parviflora, em especial, parece ter mecanismos que alteram a disponibilidade de Al no solo, o que permite que ela hiperacumule o metal mesmo em solo com concentração negligenciável de Al +3 . Os resultados acerca das adaptações metabólicas reforçam a hipótese de que fenóis, tióis e ácidos orgânicos estão envolvidos na destoxificação de Al e espécies reativas de oxigênio (EROs) em espécies hiperacumuladoras de Al. Por sua vez, as adaptações metabólicas envolvidas na eliminação de EROs em E. dysenterica, tais como produção de fenóis e desidroascorbate, não foram suficientes para controlar o estresse oxidativo em solos com alta toxidez de metais. / Aluminum (Al) is the most abundant metallic element in the Earth crust. Its toxicity not only depends on the total Al concentration in the soil, but also on the Al chemical form, which is highly dependent on soil pH. In acid soils (i.e., having pH lower than 5.5), Al is solubilized and toxic forms like Al 3+ (exchangeable Al) are then released into the rhizosphere, interfering with root growth and functions and limiting crop productivity. Despite that, natural vegetation that grows on acid soils, such as the ones from the Cerrado, has developed strategies to cope with high Al 3+ concentrations, but unfortunately, research focusing on the Al resistance mechanisms of plant species therein are still scarce. In this study, we tested the hypothesis that Al resistance strategies are constitutive features and do not depend on the concentration of the metal in soils. For that, we determined the shoot Al concentration and Al deposition sites in plants of Eugenia dysenterica, Qualea parviflora, and Q. multiflora, all native Cerrado species naturally growing on acid soils with varying fertilities and metal toxicities. Nutritional and metabolic adaptations of the plants were also analyzed. Aluminum and nutrient concentrations in soil samples were determined by energy dispersive X-ray microfluorescence (μEDXRF), while in plant samples they were evaluated by both inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and μEDXRF. Al mapping in plant samples was performed by histochemical test, X-ray probe coupled to scanning electron microscopy, and μEDXRF. Metabolic adaptations were assessed by spectrophotometric analyses and gas chromatography–mass spectrometry. E. dysenterica accumulated about 0.5 g Al kg -1 DW in the shoot. In contrast, concentrations of the metal in shoots of Q. parviflora and Q. multiflora were up to 15.0 and 20.0 g Al kg -1 DW, respectively, at all collection sites. Q. parviflora was able to hyperaccumulate Al even on a soil with negligible Al +3 concentration. Pectocellulosic cell walls were the preferential sites for Al deposition, but the metal was also localized in suberized cell walls and in chloroplasts. Al concentration in the species showed different correlations with soil chemical attributes. In Q. parviflora and E.dysenterica, it was positively correlated with mesotrophic soils while in Q. multiflora it was positively correlated with dystrophic ones. In general, nutrient levels in E. dysenterica were lower and more influenced by concentration of total Al in the soil, yet no nutritional deficiency was observed. The levels of K, P, and S in Q. multiflora were increased in plants with highest Al accumulation. Metabolite analyses demonstrated that the levels of chlorophyll, nitrate, total amino acids, insoluble proteins, phenols, and thiobarbituric acid-reactive substances were higher in leaves of E. dysenterica. In contrast, Q. parviflora had higher non-protein thiol concentration and was more efficient in avoiding lipid peroxidation. The synthesis of compatible osmolytes and dehydroascorbate was up-regulated in both species on soils with high metal toxicity. Q. parviflora also showed increased levels of malate and succinate. Altogether, these findings confirm the hypothesis that neither the non-accumulator nature of E. dysenterica nor the Al-hyperaccumulator nature of both Qualea species depends on Al concentration in soils, and support the theory that species adapted to acid soils have mechanisms to cope with Al toxicity and avoid Al-induced nutritional deficiency. Q. parviflora, in especial, seems to have mechanisms for altering Al availability in the soil, which enables the species to hyperaccumulate Al even on a soil with negligible Al +3 concentration. The results on metabolic adaptations reinforce the hypothesis that phenols, thiols, and organic acids are all involved in the detoxification of Al and reactive oxygen species (ROS) in Al-hyperaccumulator species. On the other hand, the metabolic adaptations involved in ROS scavenging in E. dysenterica, such as phenol and dehydroascorbate production, were not sufficient to control oxidative stress in plants growing on soils with high metal toxicity.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:localhost:123456789/21133 |
| Date | 22 February 2017 |
| Creators | Silva, Samara Arcanjo e |
| Contributors | Nesi, Adriano Nunes, Schaefer, Carlos Ernesto Gonçalves Reynaud, Ribeiro, Cleberson, Azevedo, Aristéa Alves |
| Publisher | Universidade Federal de Viçosa |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| 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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