Tomato (Solanum lycopersicum L.) consumption has increased every year due to the fruit attractiveness, several utilizations, and beneficial effects for human health. However, tomato fruits can accumulate a Cd concentration that exceeds the safety threshold for human consumption of vegetables, even when plants are grown in soil with acceptable Cd level. Cd is a non-essential, hazardous element to biological systems, triggering several diseases in humans. In plants, Cd disturbs the antioxidant machinery, changes the nutritional status, and impairs the photoassimilate production and/or partitioning, hence reducing fruit yield and quality. However, distinct tomato accessions can present contrasting tolerance degree to Cd toxicity, as detected by our group in previous studies. The use of these accessions is a powerful approach to identify strategies employed by plants to cope with Cdinduced challenges, and the acknowledgement of such strategies can be potentially used in breeding and biotechnological programs to improve fruit yield and quality in crops that were cultivated in contaminated fields. The set of studies that compose the present thesis aimed (i) to identify the main mechanisms for the contrasting tolerance degree to Cd-induced toxicity in tomato accessions after short and long-term Cd exposure; (ii) to evaluate the relationship among tolerance degree and fruits attributes in plants that were grown in Cd-containing soil, and (iii) to determine the transgenerational effects of Cd-induced stress. In the first experiment, nine tomato accessions with a varied tolerance degree, which was based on biomass accumulation, to Cd exposure were grown in hydroponic solution containing CdCl2 35 μM for 6 days. Avoidance of high Mg concentration in roots was identified as a plant strategy to mitigate Cd toxicity by preventing formation of root hairs. Regarding the mode of action of Cd toxicity, Mn excess in leaves, in addition to the high Cd concentration per se, seems to be coupled to leaf damages that are enhanced by the increased Zn and B concentrations in the photosynthetic tissues. In the second experiment, tolerant (Yoshimatsu) and sensitive (Tropic Two Orders) genotypes were grown in Cd-containing soil, in order to evaluated production parameters. After plant exposure to Cd, the tolerant genotype presented an increased fruit diameter, height and weight, when compared to the control plants. In both cultivars, Cd concentration varied according to the following descending order: roots = leaf blade > (floral receptacle, peduncle and sepals) > stem = fruit peel = fruit pulp. Moreover, data suggested that floral receptacle and its related-structures acted as a barrier to the Cd transportation to the fruits, but it was not enough to avoid Cd reaching the fruits. Furthermore, Cd exposure provoked remarkable reductions in the Mg concentration in roots of sensitive and tolerant genotypes, revealing that both tomato cultivars are able to employ this mechanism for plant acclimation to long-term Cd exposure. Considering such information, it is possible that, under the short-term Cd exposure, tolerant accessions activate this mechanism either early or faster than sensitive genotypes. In addition, positive transgenerational effects on seed germination and vigor of the tolerant genotype were triggered by the plant-mother cultivation in Cd-containing media, despite of the increased chromosomal abnormality. This work reported new insights about the effects of Cd exposure on tomato development, tolerance mechanisms, fruit quality and yield of tomato, as well as Cd distribution in the plants. / O consumo de tomate (Solanum lycopersicum L.) tem aumentado a cada ano devido a atratividade dos frutos, suas diversas utilizações e efeitos benéficos para a saúde humana. No entanto, os frutos de tomate podem acumular uma concentração de cádmio (Cd) que excede o limiar de segurança para o consumo humano, mesmo quando as plantas são cultivadas em solo com níveis aceitáveis de Cd. Cádmio e um elemento não-essencial, extremamente perigoso para os sistemas biológicos, desencadeando varias doenças em seres humanos. Nas plantas, o Cd perturba a maquinaria antioxidante, altera o estado nutricional e prejudica a produção e /ou o particionamento de fotoassimilados, frequentemente reduzindo a produtividade e qualidade de frutos. No entanto, diferentes acessos de tomateiros podem apresentar contrastantes graus de tolerância a toxicidade gerada pela exposição ao Cd, como detectado em estudos anteriores de nosso grupo. O uso desses acessos e uma abordagem poderosa para identificar as estratégias empregadas pelas plantas para lidar com os desafios induzidos pelo Cd; e o conhecimento de tais estratégias pode ser potencialmente utilizado em programas biotecnológicos e de melhoramento genético. Deste modo, o conjunto de estudos que compõem a presente tese objetivou (i) identificar os principais mecanismos que suportam o grau de tolerância contrastante a toxicidade induzida por Cd em acessos de tomate após exposição a curto e longo prazos a este metal pesado; (ii) avaliar a relação entre o grau de tolerância e os atributos físico-químico de frutos oriundos de tomateiros cultivados em solo contendo Cd, e (iii) determinar os efeitos transgeracionais do estresse induzido por Cd. No primeiro experimento, nove acessos de tomateiro com graus variados de tolerância a exposição ao Cd, baseado na acumulação de biomassa, foram cultivados em solução hidropônica contendo 35 μM de CdCl2 durante 6 dias. O impedimento de elevada concentração de magnésio (Mg) em raízes foi identificado como possível estratégia da planta para mitigar a toxicidade de Cd, por meio da evitação da formação de pelos radiculares. Em relação ao modo de ação da toxicidade induzida por Cd, o excesso de Mn, em adição a elevada concentração de Cd, parece estar acoplado aos danos foliares que são acentuados ainda mais pelas altas concentrações de zinco (Zn) e boro (B) nos tecidos fotossintéticos de plantas sob exposição ao Cd. No segundo experimento, os genótipos tolerantes (Yoshimatsu) e sensíveis (Tropic Two Orders) foram cultivados em solo contendo Cd, a fim de avaliar os parâmetros de produção. O genótipo tolerante apresentou frutos com maior diâmetro, altura e peso após o cultivo em solo contendo Cd, quando comparado as plantas controle. Em ambas as cultivares, a concentração de Cd variou de acordo com a seguinte ordem descendente: raízes = folíolos> (receptáculo floral, pedúnculo e sépalas) > caule = casca de fruta = polpa de fruta. Alem disso, dados sugerem que o receptáculo floral e suas estruturas atuaram como uma barreira ao transporte de Cd para os frutos, entretanto, ela não foi suficiente para evitar que o Cd atingisse os frutos. Em adição, a exposição ao Cd provocou notáveis reduções na concentração de Mg nas raízes de genótipos sensíveis e tolerantes, revelando que a aclimatação das plantas depende do baixo status de Mg em tecidos radiculares. Desde que ambas as cultivares são capazes de empregar este mecanismo, os dados sugerem que, durante a exposição a curto prazo ao Cd, acessos tolerantes são capazes de ativa-lo ou mais cedo ou mais rápido do que acessos sensíveis. Ademais, efeitos transgeracionais positivos na germinação e vigor das sementes do genótipo tolerante foram desencadeados pelo cultivo planta-mãe em solo com Cd, apesar do aumento de anormalidades cromossômicas. Este trabalho reportou novos conhecimentos sobre os efeitos da exposição ao Cd sobre o desenvolvimento do tomateiro, mecanismos de tolerância, qualidade e rendimento de frutos, bem como a distribuição de Cd dentro da planta.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-09102017-172803 |
| Date | 05 July 2017 |
| Creators | Marcia Eugenia Amaral de Carvalho |
| Contributors | Ricardo Antunes de Azevedo, Rogério Falleiros Carvalho, Ann Josephine Frans Cuypers, José Lavres Junior |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Agronomia (Genética e Melhoramento de Plantas), USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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