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Tipo: Tese
Título: Nitrogen use efficiency, photosynthesis and photorespiration in cotton plants exposed to excess energy and N-deprivation
Título em inglês: Nitrogen use efficiency, photosynthesis and photorespiration in cotton plants exposed to excess energy and N-deprivation
Autor(es): Guilherme, Eliezer de Araújo
Orientador: Silveira, Joaquim Albenisio Gomes da
Coorientador: Daloso, Danilo de Menezes
Palavras-chave: Alta luz;Assimilação de nitrato;Deficiência de nitrogênio;Fotoinibição;Gossypium hirsutum
Data do documento: 2019
Citação: GUILHERME, Eliezer de Araújo. Nitrogen use efficiency, photosynthesis and photorespiration in cotton plants exposed to excess energy and N-deprivation. 2019. 142 f. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Resumo: Condições ambientais adversas podem causar danos às plantas cuja gravidade irá depender também das características inerentes à planta. A alta luminosidade e a oscilação do nitrogênio no solo são alguns dos mais importantes estresses para os vegetais. Portanto, entender como esses organismos administram o nitrogênio para minimizar as perdas na fotossíntese e na produtividade em condições de luz excessiva e de flutuação de N é crucial. Primeiramente foi testada a hipótese de que o aumento da assimilação do nitrato é capaz de estimular a fotorrespiração e esses dois processos juntos são capazes de melhorar a fotossíntese sob alta luz. Plantas de algodão foram supridas em hidroponia com 10 mM NO3- (alto nitrato-HN) ou privação de NO3- (ND) em curto prazo e subsequentemente expostas a alta luz - HL ou baixa luz - LL. A fotoinibição foi induzida por HL em ambos os tratamentos, mas houve intensificação da assimilação de nitrato e da taxa de fotorrespiração em HN. Apesar dos danos no PSII, as plantas HN apresentaram maior fluxo de elétrons e aumento na assimilação de CO2, o que foi positivamente relacionado com a eficiência de utilização do nitrogênio para a fotossíntese (PNUE). Estas plantas também exibiram aumento nas atividades de redutase de nitrato (RN) e glutamina sintetase, associado ao grande acúmulo de aminoácidos livres e amônia e alta diminuição de NO3-. O aumento da fotorrespiração foi bastante dependente da luz e, em menor escala, do nitrato. Esses resultados levantaram outra questão: como as plantas HN seguido de privação de N fazem o uso do nitrogênio tendo em vistas a preservar a fotossíntese? Uma segunda pesquisa foi realizada em que plantas de algodão foram expostas a: (a) exposição prévia a alta oferta de nitrato (10 mM) em longo prazo (8 dias); (b) privação de nitrato (retirada de NO3-) por quatro dias, seguida de (c) deficiência precoce de N durante quatro dias. Plantas com excesso de nitrato exibiram incremento na eficiência de uso do N (NUE) da parte aérea, enquanto o PNUE não mudou, evidenciando que o excesso de N não foi capaz de melhorar adicionalmente a assimilação de CO2. A NR foi fundamental para remobilizar o nitrato armazenado na fase de privação, enquanto aminoácidos livres, proteínas totais e clorofilas foram essenciais para a remobilização de N. Apesar da grande diminuição na clorofila, os PSII e PSI mantiveram-se íntegros mesmo durante a deficiência inicial. Conclui-se que sob condições de excesso de luz, o alto suprimento de nitrato estimula a assimilação de nitrato, que induz a fotorrespiração, e esses dois processos agem sinergicamente, favorecendo a eficiência fotossintética, principalmente melhorando a eficiência do PSII e a assimilação de CO2. Por outro lado, plantas em privação de nitrato em condições não fotoinibitórias apresentam alta NUE associada à atividade de NR e remobilização de N para manter a integridade dos fotossistemas mesmo na deficiência inicial de nitrogênio.
Abstract: Adverse environmental conditions might cause damage to plants whose severity also depends on the inherent characteristics of the plant. High light and nitrogen oscillation in soil are one of the most important abiotic stresses that plants often have to deal with. Therefore, to understand how plants efficiently manage the nitrogen to minimize losses in photosynthesis and productivity under excess light and N fluctuation is crucial to crop production. First, a research was conducted to test the hypothesis that increased assimilatory nitrate reduction is able to stimulate photorespiration and these two processes together are capable to enhance photosynthesis in presence of high light. Cotton plants in hydroponic medium were supplied with 10 mM NO3- (high nitrate supply-HN) or NO3- - deprivation (ND) for short-term and subsequently exposed to high light-HL or low light-LL. HL induced photoinhibition in both N-treatments but strongly enhanced nitrate assimilation and photorespiration rates in HN. Despite these constraints caused on PSII integrity, HN-plants displayed higher electron flux through PSII and enhancement in CO2 assimilation, which was positively related to the photosynthetic nitrogen use efficiency (PNUE). These plants also exhibited increase in nitrate reductase (NR) and glutamine synthetase activities, which were associated with large accumulation of free amino acids and ammonia, in parallel to high NO3- reduction rates. The increase in photorespiration was greatly dependent on light intensity and, in a minor extent, on nitrate supply. These results have raised another question: How do HN plants followed by N deprivation efficiently use nitrogen in order to preserve photosynthesis? To solver this issue a second research was conducted on which cotton plants were exposed to three conditions in nutrient solution: (a) previous exposure to high nitrate supply (10 mM) for long-term (8 days); (b) nitrate deprivation (NO3- withdrawal) for four days followed by (c) an early N-deficiency during four days. Plants supplied with nitrate excess were able to display increment in shoot nitrogen use efficiency (NUE), whereas PNUE did not change, evidencing that excess N was not able to additionally improve CO2 assimilation. NR activity was crucial to remobilize stored nitrate through deprivation phase, whereas free amino acids, total proteins, and chlorophylls were essential to N-remobilization. Despite the great decrease in chlorophyll content, PSII and PSI activities were kept stable until the onset of early N-deficiency. In conclusion under high light condition the high nitrate supply stimulates nitrate assimilation, which induces photorespiration and these two processes act synergistically favouring the photosynthetic efficiency, mainly improving PSII efficiency and CO2 assimilation. On the other hand, nitrate deprivation plants in non-photoinhibitory conditions present high NUE associated with NR activity and N remobilization to maintain the photosystems integrity even in the initial nitrogen deficiency.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/42608
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