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Tipo: Tese
Título: Respostas fisiológicas e metabólicas mediadas pela fonte de nitrogênio: papel do NH4+ na tolerância de plantas de sorgo sob salinidade
Título em inglês: Nitrogen source-mediated physiological and metabolic responses: role of NH4+ in the tolerance of sorghum plants to salinity
Autor(es): Marinho, Stelamaris de Oliveira Paula
Orientador: Gomes Filho, Enéas
Palavras-chave: Salinidade;Amônio;Nitrato;Metabolômica;Sorghum bicolor
Data do documento: 2020
Citação: MARINHO, Stelamaris de Oliveira Paula. Respostas fisiológicas e metabólicas mediadas pela fonte de nitrogênio: papel do NH4+ na tolerância de plantas de sorgo sob salinidade . 2020. 101f. Tese (Doutorado em Bioquímica)-Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020
Resumo: A salinidade é um dos fatores abióticos que mais limitam o crescimento e desenvolvimento das plantas, causando distúrbios metabólicos, morfológicos e moleculares, sendo a fotossíntese um dos processos fisiológicos mais afetados pelo estresse. Recentes estudos reportam a ação benéfica das fontes de nitrogênio, em especial o NH4+, na redução destes efeitos deletérios por induzir mecanismos de aclimatação que conferem maior tolerância ao estresse. Entretanto, seus efeitos na eficiência fotossintética e regulação de metabólitos ainda são pouco conhecidos. Portanto, este trabalho teve por objetivo testar a hipótese de que a aclimatação à nutrição com NH4+ aciona mecanismos de defesa e causa alterações metabólicas que conferem maior tolerância à salinidade. Para isso, plântulas de sorgo, cv. CSF 20, foram crescidas em solução de Hoagland modificada, contendo 5 mM de N, nas formas de NO3- ou NH4+ isoladamente, ou na mistura equimolar NO3-:NH4+ e após 12 dias de aclimatação, as plantas foram submetidas ao estresse salino (75 mM NaCl) durante 12 dias. A salinidade reduziu severamente o crescimento das plantas para todas as formas ou regimes de nutrição nitrogenada, porém esse efeito inibitório foi menor nas plantas nutridas com NH4+, que apresentaram maior área foliar e massa seca da parte aérea. Além disso, plantas nutridas com NH4+ apresentaram menor potencial osmótico, menor vazamento de eletrólitos e maior relação K+/Na+ em comparação com os outros regimes de nutrição sob salinidade. Embora a nutrição com NH4+ tenha induzido elevado conteúdo de H2O2 basal, não foi observado danos à integridade dos cloroplastos, nem mesmo após o estresse salino. Adicionalmente, o NH4+ promoveu melhor desempenho fotossintético, em relação às outras formas de nutrição nitrogenada, sob salinidade. Isto foi relacionado com a maior taxa de assimilação de CO2 e eficiência da carboxilação da rubisco (A/Ci), bem como manutenção da eficiência do fotossistema II. A salinidade ocasionou diversas mudanças no perfil metabólico de folhas de sorgo, no entanto o grau de variação, bem como o conjunto de metabolitos alterados foi dependente da fonte de nitrogênio. Aminoácidos, ácidos orgânicos, açúcares, polióis e outros grupos de metabolitos foram significativamente aumentados ou reduzidos pela salinidade. Plantas nutridas com regime misto apresentaram incrementos em vários aminoácidos, que podem estar associados com a degradação de proteínas e clorofila, evidenciado pela perda da integridade dos cloroplastos e significativas reduções na assimilação do CO2 e eficiência fotoquímica. O aumento no conteúdo de prolina foi observado sob condições salinas em plantas nutridas com regime misto e apenas NO3-, enquanto outros metabolitos (sacarose, trealose, maltitol) foram responsáveis pelo ajustamento osmótico em planta crescidas com NH4+. O aminoácido asparagina teve importante contribuição na separação dos perfis metabólicos entre as diferentes fontes de N, bem como mostrou-se responsivo ao estresse salino em todos os regimes de N. Sob nutrição com NH4+, a salinidade aumentou o conteúdo de ácido ascórbico e ácido desidroascórbico, os quais podem ter significativo efeito na homeostase redox celular e na proteção dos cloroplastos contra danos oxidativos. De modo geral, plantas nutridas com NH4+ exibiram poucas alterações nos metabolitos em comparação com as outras fontes após o estresse salino. Isto pode estar relacionado às prévias mudanças ocorridas durante a aclimatação ao NH4+, permitindo rápidas repostas à estresses posteriores, como a salinidade. Portanto, a nutrição com NH4+ foi capaz de ativar mecanismos envolvidos na manutenção da eficiência fotossintética e regulação de importantes metabólitos, que atenuaram os efeitos deletérios da salinidade nas plantas de sorgo.
Abstract: Salinity is an abiotic factor that most limits plant growth and development, causing metabolic, morphological and molecular disorders, it is photosynthesis one of the physiological processes most affected by stress. Recent studies report the beneficial action of nitrogen sources, especially NH4+, reducing these deleterious effects through induced acclimatization mechanisms that confer greater stress tolerance. However, their effects on photosynthetic efficiency and metabolite regulation are still poorly understood. Therefore, this study aimed to test the hypothesis that acclimatization to NH4+ nutrition triggers defense mechanisms and causes metabolic changes that confer greater salt tolerance. Herein, sorghum seedlings, cv. CSF 20, were grown in a modified Hoagland solution to contain 5 mM N in the form of sole NO3- or NH4+, or in the equimolar mixed-N (NO3-:NH4+) and, after 12 days of acclimatization, the plants were subjected to saline stress (75 mM NaCl) for more 12 days. Salinity severely reduced plant growth for all forms or N regimes nutrition, but this inhibitory effect was lower in NH4+- fed plants, which had higher leaf area and shoot dry mass. Besides, NH4+-fed plants had lower osmotic potential and electrolyte leakage and higher K+/Na+ ratio compared to other N nutrition under saline conditions. Although NH4+ nutrition induced high basal H2O2 content, no damage to chloroplast integrity was observed, even after saline stress. Additionally, NH4+ nutrition promoted better photosynthetic performance compared to other N forms under salinity. This was related to higher CO2 uptake rate and rubisco carboxylation efficiency (A/Ci), as well as maintenance of photosystem II efficiency. Salinity caused several changes in the metabolic profile of sorghum leaves. However, the degree of variation, as well as the profile of altered metabolites was dependent on the N source. Amino acids, organic acids, sugars, polyols, and other groups of metabolites were significantly increased or decreased by salinity. Plants fed with mixed N showed increases in several amino acids, which may be associated with protein and chlorophyll degradation, which can be evidenced by the loss of chloroplast integrity and significant reductions in CO2 assimilation and photochemical efficiency. The increase of proline content was observed under saline conditions in plants fed with mixed N and sole NO3- nutrition, while other metabolites (sucrose, trehalose, maltitol) were responsible for osmotic adjustment in plants grown with NH4+ nutrition. Asparagine had an important contribution to the separation of metabolic profiles among different N sources, as well as was responsive to salt stress in all N nutrition. Under NH4+ nutrition, salinity increased the content of ascorbic acid and dehydroascorbic acid, which may have a significant effect on cellular redox homeostasis and the protection of chloroplasts against oxidative damage. Overall, NH4+-fed plants exhibited few changes in metabolites compared to other N sources after salt stress. This may be related to previous changes during acclimatization to NH4+, allowing quick responses to secondary stresses, such as salinity. Therefore, NH4+ nutrition was able to activate mechanisms involved in the maintenance of photosynthetic efficiency and regulation of important metabolites, which attenuated the deleterious effects of salinity on sorghum plants.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/55481
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