CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / A busca por estratÃgias de cultivo que possam contribuir para a aclimataÃÃo de plantas à salinidade à de fundamental importÃncia, pois, alÃm de possibilitar a identificaÃÃo de genes potenciais para guiar ensaios de modificaÃÃo genÃtica, permite selecionar cultivares com maior capacidade de crescer em solos com excesso de sais. A fim de testar a hipÃtese que a nutriÃÃo nitrogenada com NH4+ aumenta a tolerÃncia de plantas de Sorghum bicolor à salinidade, atravÃs da ativaÃÃo de mecanismos voltados ao controle da homeostase iÃnica, estabeleceram-se trÃs etapas experimentais. Na primeira delas, que objetivou definir a relaÃÃo entre as fontes de nitrogÃnio (N), NO3- e NH4+, que proporcionasse melhor crescimento das plantas sob salinidade, observou-se claramente que a nutriÃÃo somente com NH4+ (proporÃÃo NO3-/NH4+ de 0:100) foi mais vantajosa para o crescimento de S. bicolor sob salinidade que a nutriÃÃo apenas com NO3- ou com o regime misto desses dois Ãons, dado os maiores Ãndices de Ãrea foliar e massa seca da parte aÃrea. Verificou-se tambÃm que, sob estresse, as plantas nutridas somente com NH4+ acumularam menos Na+ nas folhas e nas raÃzes, influenciando positivamente a relaÃÃo K+/Na+, e apresentaram maiores teores de aminoÃcidos solÃveis, principalmente aqueles ricos em N (glutamina e asparagina), que contribuÃram para evitar a toxicidade do NH4+ e provavelmente para o ajustamento osmÃtico. AlÃm disso, enquanto plantas nutridas com proporÃÃes NO3-/NH4+ de 100:0, 75:25, 50:50 e 25:75 apresentaram taxas de assimilaÃÃo lÃquida de CO2 inalteradas ou reduzidas pela salinidade, plantas cultivadas somente com NH4+ (proporÃÃo 0:100) apresentaram incrementos nessa variÃvel, em reposta ao estresse. A segunda etapa teve como objetivo principal investigar se a tolerÃncia à salinidade mediada pelo NH4+ era resultante da regulaÃÃo efetiva dos processos relacionados à fotossÃntese. Nessa ocasiÃo, esse argumento foi refutado, pois a melhor eficiÃncia do fotossistema II sob estresse salino foi observada nas plantas cultivadas com a mesma proporÃÃo de NO3- e NH4+ (proporÃÃo 50:50). Nesse grupo de plantas, a reduÃÃo no quenching nÃo fotoquÃmico (NPQ) confirmou a maior eficiÃncia fotoquÃmica, dado o aumento na eficiÃncia quÃntica potencial (Fv/Fm) e efetiva (ΦPSII) do fotossistema II e a elevada taxa de transporte de elÃtrons (ETR). Esse fenÃmeno foi diretamente relacionado com os incrementos nos teores de clorofila b e de antocianinas. Por fim, na terceira etapa, objetivou-se elucidar os mecanismos envolvidos no controle do acÃmulo de Na+, sob salinidade, na cÃlula e na planta inteira, bem como identificar o papel da nutriÃÃo com NH4+ nesses processos. Em estudos com vesÃculas de membrana de raÃzes, verificou-se que plantas estressadas cultivadas somente com NH4+ apresentaram maior ativaÃÃo dos transportadores do tipo antiporte Na+/H+ (SOS1) de membrana plasmÃtica e, em menor proporÃÃo, do antiporte Na+/H+ (NHX) de tonoplasto, ao passo que o oposto foi observado nas plantas nutridas com NO3-. Esses dados sugerem que o cultivo somente com NO3- induziu o mecanismo de compartimentaÃÃo de Na+ no vacÃolo, como evidenciado pela anÃlise dos transcritos da famÃlia NHX, em que a expressÃo do gene SbNHX2 (principal isoforma expressa) nas raÃzes das plantas foi aumentada em quase todos os tempos analisados (24, 48, 120 e 240 horas apÃs exposiÃÃo ao NaCl). Mesmo assim, essa resposta nÃo foi suficiente para o controle do Na+, jà que a entrada contÃnua desse Ãon no xilema radicular afetou o influxo de K+ na seiva e limitou o acÃmulo de K+ nas folhas. Por outro lado, a nutriÃÃo somente com NH4+ ativou potencialmente mecanismos de controle do acÃmulo de Na+, uma vez que houve acionamento efetivo do efluxo de Na+ para o apoplasto via SOS1, que restringiu o carregamento desse Ãon no xilema e, consequentemente, limitou a acumulaÃÃo dele nos tecidos aÃreos. A formaÃÃo do gradiente de potencial eletroquÃmico, essencial para a atividade dos transportadores Na+/H+, foi modulada diferencialmente pela fonte de N. A atividade de bombeamento de prÃtons da H+-ATPase de membrana plasmÃtica (P-ATPase) foi estimulada em maior proporÃÃo pela presenÃa de NH4+, sem haver, contudo, aumento na atividade de hidrÃlise de ATP. Jà o aumento da translocaÃÃo de H+ pela P-ATPase em plantas estressadas cultivadas com NO3- foi diretamente relacionado ao incremento na hidrÃlise de ATP. Esses resultados sugerem que a disponibilidade de NH4+ aumentou a afinidade da P-ATPase por H+, pois houve melhor eficiÃncia de acoplamento H+/ATP, e isso tornou a enzima mais efetiva para transportar H+ com menos gasto de energia. AlÃm disso, esse aumento no bombeamento de prÃtons resultou em um maior potencial eletroquÃmico, e favoreceu diretamente a atividade do antiporte SOS1 de membrana plasmÃtica. Os nÃveis de transcritos dos genes SbPHA3 e SbPHA5 (principais isoformas expressas da famÃlia) foram aumentados nas plantas cultivadas somente com NO3-, nos tempos iniciais de exposiÃÃo ao estresse salino (12 e 24 h), enquanto que, nos cultivos somente com NH4+, essa resposta sà foi detectada apÃs 24 h. No vacÃolo, a principal bomba responsÃvel pela formaÃÃo do gradiente de H+ durante a exposiÃÃo ao estresse salino foi a H+-ATPase (V-ATPase), em comparaÃÃo à H+-PPiase. Nas plantas cultivadas somente com NO3-, observou-se uma melhor regulaÃÃo da V-ATPase, em associaÃÃo à atividade aumentada do antiporte NHX, enquanto que no cultivo com NH4+, a ativaÃÃo do transporte de H+ sob salinidade foi diretamente relacionada a incrementos na atividade de hidrÃlise de ATP da V-ATPase, bem como ao aumento da expressÃo dos transcritos do gene SbVHA2, ao longo de todo o perÃodo experimental. Essas observaÃÃes revelam que o NH4+, como fonte Ãnica de N, ativa mecanismos que envolvem uma regulaÃÃo coordenada, nas raÃzes, da atividade e da expressÃo gÃnica de bombas de H+ e transportadores Na+/H+ de membrana plasmÃtica e de tonoplasto, que culminam no controle do acÃmulo de Na+ na planta inteira e aumentam a tolerÃncia de S. bicolor ao estresse salino. / Over the last decades, several researchers have focused the development of cultivation strategies in order to improve the plantâs ability to withstand salinity. Understanding the plant salt tolerance is one of important trait to enhance productivity of crops in saline soils because it provides molecular basis for plant breeding, as well as allows identify plant species with a greater ability to grown in salinized areas. In order to test the hypothesis that nitrogen nutrition with NH4+ improves the salt tolerance in Sorghum bicolor plants, through the restrict control of ionic homeostasis, three experimental steps were established. In the first one, we investigated what would nitrogen regime, as NO3-:NH4+ ratio, contribute to the better growth of plants under salinity. Our data clearly showed that the nutrition with only NH4+ (NO3-/NH4+ at 0:100) was more advantageous for the growth of S. bicolor under salinity than the supply with solely NO3- or the mixed regimes, as evidenced by the higher leaf area and shoot dry mass. Under salinity, Na+ accumulation was severely limited in presence of NH4+ (0:100), which positively influenced on K+/Na+ homeostasis. In parallel, NH4+-fed plants displayed a substantial accumulation of N-rich amino acids (mainly glutamine and asparagine) in both tissues, which seems to be fundamental in alleviating the NH4+ toxicity. Furthermore, whereas plants treated with NO3-:NH4+ ratio of 100:0, 75:25, 50:50 and 25:75 ratios had their photosynthetic rates (A) unaltered or reduced by salinity, plants supplied with only NH4+ showed an increased CO2 assimilation in response to stress. During the second step, we evaluated if the better salt tolerance in NH4+ cultivated plants was due to an effective regulation of photosynthesis-related processes. This idea was rejected because of the most striking effects of nitrogen regime were observed in plants supplied with equal amounts of NO3-: NH4+ (50:50). Under salt stress, plants from 50:50 NO3-:NH4+ treatments displayed a lower non-photochemical quenching (NPQ) and an improved photosystem II maximum efficiency (Fv/Fm). Their superior performance was also indicated by a higher effective quantum yield of PSII (ΦPSII) and electron transport rate (ETR), as well as increased chlorophyll b and anthocyanins. Finally, at the third step, we supply S. bicolor plants with NO3- or NH4+ to investigate changes in pathways for control of Na+ accumulation, at cell and whole plant level, in response to 75 mM NaCl-stress. By using root membrane-enriched vesicles, it was found that a more pronounced plasma membrane Na+/H+ antiporter (SOS1) activity and low loading of Na+ in the xylem in the NH4+ treated plants, whereas a largest vacuolar Na+/H+ exchanger (NHX) activity was noticed by NO3- grown plants. These data suggest that the NO3- availability induced the compartmentalization of Na+ into the vacuole, as supported by the upregulation of SbNHX2 gene expression over time of NaCl exposure (12, 24, 48, 120 and 240 h). Nonetheless, it composed an inefficient pathway of Na+ control, since the incessant entrance of Na+ in the xylem sap impaired the K+ loading and limited the K+ accumulation in the shoot. On the other hand, the NH4+ supply potentially activated the mechanisms for control of Na+ accumulation, driving an effective efflux of Na+ out of the cell, via SOS1, restricting its loading in the xylem and thus limiting Na+ reach and accumulation in the aerial tissues. Surprisingly, we found that the generation of electrochemical potential gradient for Na+/H+ exchange activity is differentially modulated by the nitrogen source. The H+-pumping activity driven by plasma membrane H+-ATPase (P-ATPase) was greatly stimulated by the presence of NH4+ in growth medium, however, without an increase in ATP hydrolysis activity. Conversely, the improvement of P-ATPase-generated H+-pumping of NO3- fed stressed plants was directly related to the increase of ATP hydrolysis. These data show that the NH4+ availability enhances the H+/ATP coupling efficiency of P-ATPase, i. e. the enzyme displayed a high capacity of transport H+ across plasma membrane with low ATP consumption. Moreover, the bigger H+ translocation resulted in a greater electrochemical potential which in turn favored the SOS1 activity. The expression of SbPHA3 and SbPHA5 genes was upregulated in NO3- grown stressed plants at the beginning of salt exposure (12 and 24 h), whereas it was enhanced in NH4+ supplied stressed plants only after 24 h. At vacuole level, the H+-ATPase (V-ATPase) was the main proton pump responsive to salinity, as compared do H+-Pyrophosphatase (PPase). A better regulation between V-ATPase and NHX antiporter activities was noticed by plants from NO3- treatments. Under NH4+ supply, the increase of H+ pumping was directly associated to the improvement of ATP hydrolysis by V-ATPase, coupled to upregulation of SbVHA2 gene expression over time of salinity exposure. Taken together, our data reveal that the NH4+, as the only nitrogen source, activates an intricate regulation of Na+ control pathways, involving the existence of a robust regulation and systematic mechanism firstly on root cell and subsequently on whole plant in sorghum upon salinity. In conclusion, the NH4+ stimulated salt tolerance is resulted from a more active SOS1 protein and high efficiency of P- and V-ATPase in the roots, which help to efficient Na+ exclusion and counteract net Na+ accumulation in the cytosol, thus preventing the loading of Na+ in the xylem sap and its reach in the photosynthetic tissues.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.teses.ufc.br:9485 |
| Date | 27 February 2015 |
| Creators | Rafael de Souza Miranda |
| Contributors | EnÃas Gomes Filho, Josà TarquÃnio Prisco, Juan Carlos Alvarez Pizarro, Josà HÃlio Costa, ROSILENE OLIVEIRA MESQUITA, SÃrgio Luiz Ferreira da Silva |
| Publisher | Universidade Federal do CearÃ, Programa de PÃs-GraduaÃÃo em BioquÃmica, UFC, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFC, instname:Universidade Federal do Ceará, instacron:UFC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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