Orientador: Ladaslav Sodek / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-12T20:25:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2009 / Resumo: Muitos solos, principalmente aqueles com baixa capacidade de drenagem, ficam sujeitos ao alagamento após pequenos ou grandes períodos de chuva. Nestas condições, o sistema radicular das plantas sofre estresse por deficiência de O2 em função da baixa taxa de difusão deste gás na água. Quando o teor de O2 no meio fica abaixo do necessário para manter a taxa normal de respiração das raízes ocorre a hipoxia. O sistema radicular das leguminosas que possuem nódulos formados pela associação simbiótica com bactérias do gênero Rhizobium, responsáveis pela fixação de N2 atmosférico, é também adversamente afetado por hipoxia. Muitos estudos sobre alterações metabólicas em raízes, em resposta a hipoxia, têm sido feitos, porém, no caso dos nódulos e da fixação simbiótica de N2 os estudos são escassos. Há evidências de que plantas noduladas sob condições de alagamento apresentam baixas taxas de fixação, o que é atribuído principalmente à baixa disponibilidade de O2, necessário para a produção do ATP usado na fixação de N2, catalisada pela enzima nitrogenase. As técnicas disponíveis para medir a atividade da nitrogenase são inviáveis com os nódulos mantidos submersos na água, pois envolvem a passagem de substratos da enzima pelo sistema radicular, em forma gasosa. Por outro lado, estudos recentes indicam a possibilidade de usar o teor de GLN do xilema como indicador da eficiência da fixação de N2. A vantagem desta técnica é que a seiva pode ser coletada enquanto o sistema radicular permanece submerso. O objetivo do presente estudo foi verificar se o teor de GLN, na seiva do xilema, poderia ser utilizado como indicador da eficiência da fixação de N2 em condições de alagamento. Para alcançar este objetivo foi realizado um estudo da dinâmica da resposta de GLN ao estresse durante e após alagamento (recuperação). Estudou-se, também, uma possível relação da resposta da GLN do xilema com a atividade da nitrogenase nos nódulos e a com incorporação de 15N2 na GLN
transportada pela seiva do xilema. A resposta da GLN da seiva do xilema ao estresse de alagamento e à recuperação do estresse foi bastante nítida. O transporte de GLN foi reduzido imediatamente após a inundação do sistema radicular e a intensidade do efeito foi dependente do tempo em que as plantas permaneceram nesta condição. Este efeito foi verificado minutos após o alagamento, o que demonstra alta sensibilidade do nódulo à disponibilidade de O2. GLN foi o único aminoácido que respondeu desta maneira. Outros aminoácidos como ALA, GABA, ASN e SER respondem mais tardiamente ao efeito provocado pelo alagamento, pois estão relacionados a respostas associadas à hipoxia da raíz, uma condição mais demorada para ser alcançada após o alagamento. Da mesma forma, a GLN responde rapidamente à supressão do estresse, pois o transporte começou a recuperar-se rapidamente após a drenagem da solução nutritiva. No entanto, esta recuperação foi fortemente dependente da duração do estresse, pois estresses longos parecem ter alterado acentuadamente o metabolismo do nódulo. Contudo, após a retirada do estresse, uma recuperação parcial ou total foi verificada em todos os tratamentos. Nos tecidos como nódulos e raízes, os teores de GLN e ASN diminuíram bastante uma hora após a inundação. No caso dos nódulos, os teores de ASN chegaram próximo de zero embora, na seiva do xilema, o transporte deste aminoácido tenha sido mantido mesmo durante 48 horas de inundação. Neste caso, ocorreu redução de metade do valor transportado, sendo que, provavelmente, o transporte foi sustentado pelo sistema radicular. A atividade da nitrogenase comprovou os dados verificados para GLN obtidos pela análise da seiva. A atividade foi afetada pelo alagamento e a recuperação ocorreu, na maioria dos tratamentos, após a interrupção do estresse, com exceção das plantas inundadas por 48 horas. A incorporação do gás 15N2 ocorreu tanto em plantas controle como em inundadas e comprovou que a GLN sintetizada nos nódulos é imediatamente transportada para a parte aérea. Estes dados foram obtidos pelo acompanhamento de GLN na seiva do xilema, mas a incorporação em ASN ocorreu apenas em plantas controle. Isto reforça a teoria de que a GLN seja um produto direto da fixação biológica e que o seu transporte para a parte aérea seja suprido diretamente pelos nódulos, imediatamente após a fixação. Como a redução de GLN nas raízes foi de 50%, chegou-se à conclusão de que o transporte deste aminoácido para a parte aérea não é abastecido pelo sistema radicular. O retorno às condições de aeração re-estabeleceram os níveis de GLN da seiva do xilema, imediatamente após estresses relativamente curtos, sendo que a recuperação foi mais lenta a partir de 12 horas de inundação. Os níveis de ASN, um produto da fixação biológica que depende de GLN como doador do grupo amida, não responderam imediatamente ao estresse conforme verificado pela coleta da seiva do xilema, mesmo quando os seus valores foram reduzidos a valores próximos de zero que, no caso dos nódulos, ocorreu uma hora após a inundação. Concluiu-se que a GLN encontrada na seiva do xilema é produto direto da fixação de nitrogênio e que variações no transporte pelo xilema estão estreitamente relacionadas à atividade da nitrogenase e, portanto, é um ótimo indicador da eficiência da fixação de N2. O alagamento do sistema radicular nodulado de plantas de soja tem um efeito adverso e imediato sobre a fixação de nitrogênio, conforme verificado pela redução rápida no teor de GLN no xilema. A drenagem do sistema radicular alagado permite uma recuperação da fixação de N2, embora a resposta seja mais lenta em função da duração do estresse de alagamento. / Abstract: Many soils, especially those with a low drainage capacity, are subject to flooding after short or long periods of rain. Under such conditions, the root system of plants suffers a stress condition due to O2 deficiency because of the low diffusion rate of O2 in water. When the level of O2 in the medium drops below that required to maintain the normal rate of respiration in the roots, hypoxia occurs. The nodulated root system of legumes, where nodules are the result of the symbiotic association with bacteria of the genus Rhizobium, responsible for nitrogen fixation, is also adversely affected by flooding. Many studies have been made showing metabolic changes in roots due to hypoxia, but with regard to nodules and N2 fixation information is scarce. There is evidence that nodulated plants show low levels of fixation under flooding conditions, attributed mainly to low levels of O2 which is required for the production of ATP consumed during N2 fixation catalized by the enzyme nitrogenase. The techniques available for the assay of nitrogenase are inviable for nodules submersed in water, since the methods require that the gaseous substrates of the enzyme flow around the root system. On the other hand, recent studies have opened the possibility of measuring the level of GLN in the xylem sap as an indicator of the efficiency of N2 fixation. The advantage of this technique is that the xylem sap can be collected while the root system remains waterlogged. The objective of the present study was to verify whether the level of xylem sap GLN might be used as an indicator of N2 fixation under flooding conditions. In order to reach this objective, a study was made of the dynamics of the GLN response to the stress both during and following (recovery) flooding. A study was also made of the xylem GLN response in relation to nitrogenase activity of the nodules as well as a study of the incorporation of 15N2 in GLN transported in the xylem sap. The response of xylem sap GLN to the stress caused by flooding as well as recovery post-stress was very clear. Transport of GLN in the xylem was immediately reduced after flooding of the root system and the intensity of the effect was dependent on the length of time that plants remained in this condition. The response was verified minutes after flooding, which indicates the high sensitivity of the nodule to O2 availability. GLN was the only amino acid to respond in this way. Other amino acids such as ALA, GABA, ASN, and SER only showed changes later on, consistent with these amino acids being associated with the response given by the roots to hypoxia, a condition that takes much longer to be reached after flooding. Similarly, GLN responded rapidly to the suppression of the stress, since its transport began to recover after the root system was drained. Nevertheless, this recovery was strongly dependent on the duration of the stress, since prolonged periods of flooding appeared to have a more profound effect of nodule metabolism. After removal of the stress, a total or partial recovery was recorded in all treatments. In tissues such as nodules and roots, the levels of GLN and ASN declined markedly 1 hour after flooding. In nodules, the levels of ASN fell close to zero, in contrast to the xylem sap where they still remained high even after 48 hours of flooding. In the latter case, ASN declined to about half its normal level and probably this transport was sustained by the roots. Variations in the activity of nitrogenase closely followed those of GLN in the xylem sap. Activity was affected by flooding and recovery was observed, in the majority of cases, after the interruption of the stress, with the exception of plants flooded for 48 hours. The incorporation of 15N2 gas in GLN was found both for control and flooded plants which proves that GLN is an immediate product of nitrogen fixation that is transported to the shoot. Incorporation of the label in ASN, on the other hand, was only seen in the control plants. This reforces the idea that GLN is a direct product of nitrogen fixation and that the nodule is the source of its transport via the xylem. Since in roots GLN was reduced by only about 50%, it was concluded that the roots were
not an important source of the amino acid in the xylem. The return to normoxia reestablished the high levels of GLN in the xylem, where recovery occurred immediately after relatively short stress periods and more slowly after flooding for 12 hours or more. The levels of ASN, a product of biological nitrogen fixation that depends on GLN as the donor of the amide group, did not respond immediately to the stress when measured in the xylem sap, even though its level was reduced to near zero in the nodules 1 hour after flooding. It is concluded that GLN of the xylem sap arises directly from nitrogen fixation and that the changes found were closely related to the activity of nitrogenase. It may be considered, therefore, a good indicator of nitrogen fixation. Flooding of the nodulated soybean root system has an immediate adverse effect on nitrogen fixation, as revealed by the rapid decline in GLN levels in the xylem. Draining the flooded root system permits the recovery of nitrogen fixation, though this response becomes slower the longer the period of flooding. / Doutorado / Doutor em Biologia Vegetal
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.unicamp.br:REPOSIP/315220 |
| Date | 12 August 2018 |
| Creators | Justino, Gilberto Costa |
| Contributors | UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS, Sodek, Ladaslav, 1941-, Aguiar, Leandro Ferreira de, Lima, Juliana Domingues, Salgado, Ione, Schiavinato, Marlene Aparecida |
| Publisher | [s.n.], Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Biologia, Programa de Pós-Graduação em Biologia Vegetal |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 116p. : il., application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da Unicamp, instname:Universidade Estadual de Campinas, instacron:UNICAMP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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