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Previous issue date: 2015-05-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / O alagamento é um fator ambiental comum que causa deficiência de oxigênio às plantas, levando a uma inibição da respiração e redução do status energético celular, desencadeando uma série de mudanças no metabolismo do carbono e do nitrogênio. Além disso, alterações no fluxo de elétrons da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial e cloroplastídica levam a produção de espécies reativas de oxigênio (EROs) que podem ocasionar vários danos ao metabolismo celular. No entanto, a aplicação exógena de nitrato tem sido reportada por promover efeitos benéficos em muitas espécies de plantas sob condições de hipóxia. Embora muitos estudos tenham sido envidados com soja, pouco se sabe a respeito das alterações metabólicas primárias do carbono e do nitrogênio que permitem diferenciar genótipos contrastantes ao alagamento e os efeitos no sistema antioxidante pela aplicação exógena de nitrato nas plantas. Considerando o exposto, os objetivos deste trabalho foram: I – avaliar mudanças no metabolismo do carbono e do nitrogênio e sua relação com a enzima alanina aminotransferase (AlaAT) em genótipos de soja nodulada; II – verificar possíveis efeitos benéficos no metabolismo antioxidante em plantas cultivadas na presença de nitrato (plantas não-noduladas) e na ausência de nitrato (plantas noduladas). Para isso, dois experimentos foram conduzidos em casa de vegetação com plantas de soja (Glycine max (L.) Merril) sob condições naturais de luz e temperatura. Experimento I: plantas noduladas de soja, nutridas na ausência de N mineral (Fundacep 53 RR – tolerante e BRS Macota – sensível) foram cultivadas em vermiculita e transferidas para sistema hidropônico, no estádio reprodutivo R2. O sistema radicular das plantas foi submetido à hipóxia pelo borbulhamento de nitrogênio gasoso na solução nutritiva diluída 1/3 da concentração normal, por 24 e 72 h. Para recuperação, após 72 h de hipóxia as plantas retornaram para vermiculita por 24 e 72 h. Foram avaliados, em raízes e nódulos, metabólitos fermentativos e ácidos orgânicos (GC-MS), aminoácidos (HPLC), expressão relativa dos genes (RT-PCR) e atividade da enzima AlaAT. Fundacep 53 RR acumulou mais teores de piruvato e lactato que BRS Macota e embora a composição de aminoácidos não tenha diferido entre os genótipos, foi observado uma ligação entre a glicólise e o ciclo dos ácidos tricarboxílicos via indução dos genes e atividade da AlaAT, que, posteriormente, levou ao acúmulo de succinato em raízes de Fundacep 53 RR, podendo aumentar o ganho energético em relação à BRS Macota sob hipóxia. Experimento II: A condução experimental adotada foi semelhante ao experimento I, no entanto conduzido com plantas noduladas e não-noduladas (nutridas com nitrato) de soja, de ambos os genótipos. Foi avaliado o sistema antioxidante em raízes e folhas através da atividade das enzimas superóxido dismutase (SOD), ascorbato peroxidase (APX), catalase (CAT), glutationa redutase (GR), guaiacol peroxidase (GPOD) e glutationa S-transferase (GST), o conteúdo de ascorbato reduzido e ascorbato total, bem como conteúdo de superóxido (O2), peróxido de hidrogênio (H2O2) e peroxidação de lipídeos. O sistema antioxidante foi fortemente induzido nas raízes das plantas nutridas com nitrato de ambos os genótipos, com elevada atividade de SOD, APX, CAT, GR e GPOD, bem como o aumento do conteúdo de ascorbado reduzido e total e diminuição da produção de EROs em condições de hipóxia e de recuperação, enquanto que nas folhas de plantas noduladas e não-noduladas foi observado um ligeiro aumento nos componentes enzimáticos e não enzimáticos antioxidantes. O nitrato exerce efeitos benéficos em plantas de soja em condições de hipóxia e consequentemente na recuperação por induzir o sistema antioxidante nas raízes, permitindo modular os possíveis danos oxidativos causados pela produção de EROs, além de poder prolongar a tolerância dessas plantas. / Waterlogging is a common environmental stress which causes oxygen deprivation in plants leading to an inhibition of the mitochondrial respiration. It leads to a reduction of cellular energy status triggering changes at different levels of carbon and nitrogen metabolism. In addition, it leads to electron scape from the mitochondrial and chloroplast electron transport chain, producing reactive oxygen species (ROS) which cause severe oxidative damage to cells. However, exogenous nitrate supply has been reported to promoting beneficial effects in several plant species under hypoxic conditions. Although many studies have been carried out with soybean, a little is known about the primary metabolic changes in carbon and nitrogen metabolism, which may differ between tolerant and sensitive plant genotypes in response to waterlogging and the effects on antioxidant system in nitrate-supplied plants in comparison to non-nitrate-supplied plants. Thus, the aims of this study were: I – to evaluate the hypoxia-induced alterations of carbon and nitrogen metabolism and its relation with alanine aminotransferase (AlaAT) enzyme in nodulated soybean genotypes; II – to verify possible beneficial effects on antioxidant metabolism in nitrate-supplied plants (non-nodulated plants) in comparison to plants growing in absence of nitrate (nodulated plants). For that, two experiments were carried out in greenhouse under natural light and temperature conditions. Experiment I: Nodulated soybean plants (Fundacep 53 RR – tolerant and BRS Macota – sensitive) were grown in vermiculite and transferred to hydroponic system at reproductive stage. Root system was subjected to hypoxia by flushing N2 gas into the solution for 24 or 72 h. For the recovery, after 72 h in hypoxia, plants returned to normoxic conditions by transferring back to vermiculite for 24 and 72 h. Root and nodule organic acids and amino acids were analysed by gas chromatography-mass spectrometry and high-performance liquid chromatography, respectively. Relative expression of AlaAT (qRT-PCR) and AlaAT activity were also verified in both genotypes. Plants of Fundacep 53 RR and BRS Macota genotypes responded distinctly upon hypoxia. Fundacep 53 RR presented higher pyruvate and lactate accumulation than BRS Macota, which is indicative of higher glycolytic and fermentation rates in root tissues. Furthermore, Fundacep 53 RR responds more effectively to the recovery by restoring pre-hypoxic levels of the metabolites. Although the amino acid composition did not differ between the genotypes, there was a clear link between glycolysis and the TCA via increase of gene expression and activity of AlaAT enzyme by leading a succinate accumulation in Fundacep 53 RR, wich represents a metabolic advantage compared to BRS Macota under hypoxic stress. Experiment II: was carried out in a similar way of Experiment I, however with plants growing in presence (non-nodulated) and absence (nodulated) of nitrate, for both soybean genotypes. Superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), glutathione reductase (GR), guayacol peroxidase (GPOD) and glutathione S-transferase (GST) enzymes; reduced ascorbate and ascorbate redox state; superoxide content (O2•-), hydrogen peroxide (H2O2) and lipid peroxidation were analysed in roots and leaves of both soybean genotypes. Antioxidative system was strongly induced in roots of nitrate-supplied plants of both genotypes, with high activity of superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT), glutathione reductase (GR) and guayacol peroxidase (GPOD), as well as increased ascorbate reduced and ascorbate redox state and decreased ROS production under hypoxia and recovery, while in leaves of nodulated and non-nodulated plants a slight increase on antioxidant system was observed. Furthermore, the results did not show tolerance differences between the genotypes. Nitrate exerts beneficial effects in soybean plants under hypoxic conditions and consequent recovery by inducing the antioxidant system manly in roots, to cope possible oxidative damage caused by ROS production and also can postpone the effects of hypoxia in both genotypes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufpel.edu.br:prefix/3589 |
| Date | 06 May 2015 |
| Creators | Borella, Junior |
| Contributors | http://lattes.cnpq.br/2414061342279670, Oliveira, Denise dos Santos Colares de, Braga, Eugenia Jacira Bolacel, Amarante, Luciano do |
| Publisher | Universidade Federal de Pelotas, Programa de Pós-Graduação em Fisiologia Vegetal, UFPel, Brasil, Instituto de Biologia |
| 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 UFPEL, instname:Universidade Federal de Pelotas, instacron:UFPEL |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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