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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79581
Tipo: | Tese |
Título: | Mechanisms of ammonium toxicity and tolerance in rice plants |
Título em inglês: | Mechanisms of ammonium toxicity and tolerance in rice plants |
Autor(es): | Sousa, Rikaely Torres de |
Orientador: | Silveira, Joaquim Albenísio Gomes da |
Palavras-chave em português: | Dinâmica do amônio;Metabolismo do nitrogênio;Oryza sativa;Senescência foliar |
Palavras-chave em inglês: | Ammonium dynamics;Nitrogen metabolism;Oryza sativa;Leaf senescence |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA |
Data do documento: | 2023 |
Citação: | SOUSA, Rikaely Torres de. Mechanisms of ammonium toxicity and tolerance in rice plants. 2023. 127 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023. |
Resumo: | O excesso de amônio nos solos causa grandes problemas para o crescimento das plantas, afetando biomassa e a produtividade agrícola. Este problema é agravado por condições de baixa aeração nos solos e adubações nitrogenadas excessivas principalmente com sulfato de amônio e ureia. O excesso ou a toxicidade de amônio afeta a maioria das espécies vegetais, mas algumas cultivares de arroz são tolerantes por mecanismos ainda não totalmente conhecidos. Neste trabalho, foi utilizado uma cultivar de arroz tolerante ao excesso de amônio (Nipponbare) como modelo de estudo. A tese está dividida em 3 capítulos. No primeiro (capítulo I), é apresentada uma “review” sobre “Ammonium toxicity and tolerance mechanisms in rice plants”, evidenciando e atualizando o estado da arte. O capítulo II trata do artigo “Ammonium overaccumulation in senescent leaves as a novel exclusion mechanism to avoid toxicity in photosynthetically active rice leaves” publicado em 2021 no periódico “Environomental and Experimental Botany” fator de impacto 5.7. Nesse estudo uma cultivar tolerante a amônio (Nipponbare) foi incialmente e progressivamente no tempo aclimatada a níveis crescentes de amônio na solução nutritiva (3,75; 7,5 mM) e posteriormente expostas à níveis elevados (15 mM) por 24 dias. Plantas expostas similarmente aos mesmos níveis de nitrato foram tomadas como controles. Nós demonstramos um novo mecanismo de tolerância a amônio por meio de exclusão de seu excesso por deposição nas folhas velhas, senescentes e posteriormente mortas. Esse mecanismo possibilita evitar acumulação de amônio nas folhas maduras, preservando sua atividade fotossintética. Demonstramos também que o excesso de amônio reduz fortemente o crescimento radicular sem afetar sua integridade celular, induzindo forte aumento na atividade das peroxidases do tipo III. Essa resposta sugere que o que antes era tratado como um mecanismo de toxidade de amônio (redução do crescimento das raízes), deve ser um mecanismo de regulação para evitar contato com excesso de amônio. No capítulo III (“Spatial changes in N metabolism induced by ammonium toxicity in rice plants”) foram conduzidos experimentos na presença de diferentes concentrações de amônio. As plântulas foram inicialmente aclimatadas em solução nutritiva de Hoagland & Arnon em diluições decrescentes ao longo das 3 primeiras semanas: 1:4 e 1:2 (NO3-/NH4+ 2.5 mM/0.5 mM na primeira semana e 5.0mM/1 mM na segunda semana) e sem diluição (NO3-/NH4+ 10 mM/2 mM na terceira semana). Após essa fase, as plantas foram expostas a 4 tratamentos por mais 14 dias: T1 = NH4+ 2.5 mM (baixo); T2 = NH4+ 7.5 mM (moderado); T3 = NH4+ 15 mM (alto) e T4 = controle (NO3- 15 mM). Os tratamentos com amônio, independente da concentração, reduzem o crescimento das raízes, mas não afetam o da parte aérea (colmos e folhas totais). As trocas gasosas, fotossíntese e atividade do fotossistema II nas folhas expandidas e em fase de expansão (L7 e L9, respectivamente) também não foram afetadas pelas concentrações de amônio. Para avaliar a influência da distribuição espacial das folhas, elas foram separadas em 3 porções na parte aérea de plantas maduras (estágio V10): folhas basais (L1 – L5), folhas medianas (L6 –L8) e folhas do topo (L9 – L10). Amônio é intensamente acumulado nas folhas basais (senescentes e mortas), especialmente em 15 mM, comparada com as demais partes. Esse acúmulo foi relacionado diretamente com acumulação de alguns aminoácidos especialmente Gln, Glu, Orn, Pro, Asn, Asp, GABA, Ser e Gly. Entretanto, as atividades de GS, GOGAT e GDH não foram positivamente relacionadas nem com as concentrações de amônio nem com a parte do dossel. As concentrações de sacarose foram fortemente reduzidas nas plantas supridas com amônio, independente das concentrações. A análise multivariada (PCA) utilizando a média dos conteúdos de 40 metabólitos (aminoácidos, ácidos orgânicos, açucares dentre outros) indicou que existe um forte agrupamento dos tratamentos, especialmente 15 mM de NH4+ versus controle (15 mM de NO3-). Quando as partes do dossel foram comparadas dentro de tratamentos, houve um forte e contrastante agrupamento entre as folhas da base e as folhas do topo, em ambos os tratamentos de 15 mM de NH4+ e controle, revelando a forte influência do estágio fisiológico das folhas no metabolismo. A análise conjunta dos dados revela que o arroz possui um singular mecanismo de aclimatação e tolerância à toxicidade de amônio. Esse mecanismo envolve inicialmente a indução de senescência precoce nas folhas mais velhas a qual progride para a morte celular e apoptose. Durante a morte celular, ocorre a deposição de elevadíssimas quantidades de amônio nas folhas, possivelmente a partir da proteólise. Aparentemente, folhas e raízes de arroz expostas a excesso de amônio não acionam aumentos nas atividades de GS total, NADH-GOGAT e GDH aminante como mecanismo de desintoxicação de amônio. |
Abstract: | Excess ammonium in soils causes major problems for plant growth, affecting biomes and agricultural productivity. This problem is aggravated by conditions of low aeration in the soil and excessive nitrogen fertilization, mainly with ammonium sulfate and urea. Ammonium excess or toxicity affects most plant species, but some rice cultivars are tolerant by mechanisms that are not yet fully known. In this work, a rice cultivar tolerant to excess ammonium (Nipponbare) was used as a study model. The thesis is divided into 3 chapters. In the first (chapter I), a “review” on “Ammonium toxicity and tolerance mechanisms in rice plants”, highlighting and updating the state of the art. Chapter II deals with the article “Ammonium overaccumulation in senescent leaves as a novel exclusion mechanism to avoid toxicity in photosynthetically active rice leaves” published in 2021 in the journal “Environomental and Experimental Botany” impact factor 5.7. In this study, an ammonium-tolerant cultivar (Nipponbare) was initially and gradually acclimated to increasing levels of ammonium in the nutrient solution (3.75 and 7.5 mM) and subsequently exposed to elevated levels (15 mM) for 24 days. Plants similarly exposed to the same nitrate levels were taken as controls. We demonstrate a new mechanism of ammonium tolerance through exclusion of its excess by deposition on old, senescent and subsequently dead leaves. This mechanism makes it possible to avoid accumulation of ammonium in mature leaves, preserving their photosynthetic activity. We also demonstrated that excess ammonium strongly reduces the growth of the root system without affecting its cellular integrity, inducing a strong increase in the activity of type III peroxidases. This response suggests that what was previously treated as an ammonium toxicity mechanism (reduced root growth) must be a regulatory mechanism to avoid contact with excess ammonium. In Chapter III (“Spatial changes in N metabolism induced by ammonium toxicity in rice plants”) experiments were conducted in the presence of different ammonium concentrations. The seedlings were initially acclimated in Hoagland & Arnon nutrient solution in decreasing dilutions over the first 3 weeks: 1:4 and 1:2 (NO 3 - /NH 4 + 2.5 mM/0.5 mMin the first week and 5.0 mM/1 mM in the second week) and without dilution (NO3-/NH4+ 10 mM/2mM third week). After this phase, the plants were exposed to 4 treatments for another 14 days: T1 = NH 4 + 2.5 mM (low); T2 = NH 4 + 7.5 mM (moderate); T3 = NH 4 + 15 mM (high) and T4 = control (NO 3 - 15 mM). Treatments with ammonium, regardless of concentration, reduce root growth, but do not affect aerial part growth (stems and total leaves). Gas exchange, photosynthesis and photosystem II activity in expanded and expanding leaves (L7 and L9, respectively) were also not affected by ammonium concentrations (stage V10): basal leaves (L1 – L5), middle leaves (L6 – L8) and top leaves (L9 – L10). Ammonium is intensely accumulated in basal (senescent and dead) leaves, especially at 15 mM compared to the other parties. This accumulation was directly related to the accumulation of some amino acids, especially Gln, Glu, Orn, Pro, Asn, Asp, GABA, Ser and Gly. However, GS, GOGAT and GDH activities were not positively related to either ammonium concentrations or canopy part. Sucrose concentrations were strongly reduced in plants supplied with ammonium, regardless of concentrations. Multivariate analysis (PCA) using the mean content of 40 metabolites (amino acids, organic acids, sugars, among others) indicated that there is a strong grouping of treatments, especially 15 mM NH4+ versus control (15 mM NO3- ). When parts of the canopy were compared within treatments, there was a strong and contrasting grouping between base leaves and top leaves in both the 15 mM NH4+ and control treatments, revealing the strong influence of the physiological stage of leaves on metabolism the plants. The joint analysis of the data reveals that rice has a unique mechanism of acclimatization and tolerance to ammonium toxicity. This mechanism initially involves the induction of early senescence in older leaves which progresses to cell death and apoptosis. During cell death, very high amounts of ammonium are deposited in the leaves, possibly from proteolysis. Apparently, rice leaves and roots exposed to excess ammonium do not trigger increases in total GS, NADH-GOGAT, and amino GDH activities as a mechanism of ammonium detoxification. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/79581 |
Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/3129093315573432 |
Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/6073841207993010 |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
Aparece nas coleções: | DBBM - Teses defendidas na UFC |
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