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Tipo: Tese
Título: Water deficit tolerance in cowpea plants is associated with coordinated metabolic and physiological mechanisms involving roots and leaves
Autor(es): León, Danny Alexander Camargo
Orientador: Silveira, Joaquim Albenísio Gomes da
Palavras-chave em português: Vigna unguiculata;Ajuste osmótico;Metabolismo carbono- nitrogênio;Recuperação;Déficit hídrico
Palavras-chave em inglês: Vigna unguiculata;Osmotic adjustment;Carbon–nitrogen metabolism;Recovery;Water deficit
CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Data do documento: 2024
Citação: LEÓN, Danny Alexander Camargo. Water deficit tolerance in cowpea plants is associated with coordinated metabolic and physiological mechanisms involving roots and leaves. 2026. 98 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: A seca reduz a produtividade das culturas agrícolas e restringe o uso de extensas áreas para a produção agrícola. Vários estudos têm relatado que o feijão-caupi exibe uma variedade de adaptações fisiológicas, bioquímicas e fenotípicas que o permitem sobreviver e manter a produtividade em condições de seca, tornando-o um modelo adequado para estudos associados à resposta de plantas ao déficit hídrico. As aclimatações mais comumente relatadas incluem a regulação da condutância estomática, a acumulação de osmólitos compatíveis e ajustes na morfologia foliar. Por outro lado, os mecanismos subjacentes que permitem ao caupi modificar a arquitetura do sistema radicular sob condições de déficit hídrico foram pouco estudados. Portanto, no presente trabalho de tese, através de uma abordagem integrada, investigamos os mecanismos de tolerância ao déficit hídrico em plantas de feijão-caupi, enfatizando a importância das respostas metabólicas e fisiológicas. Aprofundamos nas interações entre a capacidade da planta de ajustar o crescimento das raízes e as mudanças no perfil metabólico, bem como outros ajustes bioquímicos e fisiológicos sob condições de déficit hídrico. Para este fim, plantas de feijão-caupi de 21 dias foram submetidas a uma restrição progressiva de irrigação com três níveis de déficit hídrico, incluindo controle bem irrigado (representando 75% da capacidade de retenção de água do substrato), déficit hídrico moderado (25% da capacidade de retenção de água do substrato) e déficit hídrico severo (0% da capacidade de retenção de água do substrato) durante sete dias. Após cinco dias de remoção de água, plantas moderadamente deficientes em água se recuperaram para níveis de controle por dois dias consecutivos. Amostras de folhas e raízes foram coletadas para análise metabolômica por GC-MS, incluindo aminoácidos, açúcares solúveis e ácidos orgânicos. Além disso, foi analisada a atividade de enzimas relacionadas ao metabolismo do nitrogênio, incluindo a glutamina sintetase, a glutamato sintase e a glutamato desidrogenase. Algumas determinações fisiológicas também foram feitas, incluindo trocas gasosas, capacidade de ajuste osmótico, massa de raízes e brotos e indicadores de déficit hídrico (conteúdo relativo de água, dano de membrana, potencial hídrico). Os resultados revelaram reduções progressivas da fotossíntese, da condutância estomática e do potencial hídrico sob déficit hídrico, acompanhadas por respostas contrastantes entre raízes e parte aérea. Enquanto o crescimento foliar foi reduzido, as raízes apresentaram aumento de biomassa sob déficit hídrico moderado, sugerindo um redirecionamento de recursos para favorecer a aquisição de água. Após a reidratação, observou-se redução da biomassa radicular e retomada do crescimento foliar, evidenciando uma reorganização funcional do sistema planta-raiz durante a recuperação. As respostas enzimáticas, especialmente das enzimas glutamina sintetase (GS) e glutamato desidrogenase (GDH), indicaram uma reorganização coordenada do metabolismo do nitrogênio em folhas e raízes sob déficit hídrico. Paralelamente, verificou-se capacidade de ajuste osmótico em ambos os órgãos, associada ao acúmulo de aminoácidos, açúcares solúveis e glicina betaína. Embora a prolina tenha aumentado substancialmente durante o estresse, sua contribuição relativa para o ajuste osmótico foi limitada, indicando que a manutenção da turgescência depende da ação coordenada de múltiplos osmólitos. As análises metabolômicas e fisiológicas integradas revelaram fortes associações entre o estado hídrico da planta, o metabolismo do nitrogênio, o acúmulo de aminoácidos e o crescimento. Alterações consistentes nos níveis de 2-oxoglutarato e de outros ácidos orgânicos sugerem a participação desses metabólitos na integração entre os metabolismos do carbono e do nitrogênio durante o déficit hídrico. Além disso, a elevada capacidade de recuperação observada para diversos parâmetros fisiológicos e bioquímicos demonstra que a tolerância à seca em feijão-caupi depende de respostas coordenadas entre raízes e folhas, envolvendo ajustes fisiológicos, bioquímicos e metabólicos que operam de forma integrada durante o estresse e a recuperação.
Abstract: Drought reduces the productivity of agricultural crops and restricts the use of extensive areas for agricultural production. Several studies have reported that cowpea exhibits a variety of physiological, biochemical, and phenotypic adaptations that enable it to survive and maintain productivity under drought conditions, making it a suitable model for studies associated with plant responses to water deficit. The most commonly reported acclimatizations include the regulation of stomatal conductance, the accumulation of compatible osmolytes, and adjustments in leaf morphology. On the other hand, the underlying mechanisms that allow cowpea to modify root system architecture under water deficit conditions have been poorly studied. Therefore, in the present thesis, through an integrated approach, we investigated water deficit tolerance mechanisms in cowpea plants, emphasizing the importance of metabolic and physiological responses. We delved into the interactions between the plant's capacity to adjust root growth and changes in the metabolic profile, as well as other biochemical and physiological adjustments under water deficit conditions. For this purpose, 21-day-old cowpea plants were subjected to progressive irrigation withdrawal, resulting in three water regimes: a well-watered control (75% of substrate water-holding capacity), moderate water deficit (25% of substrate water-holding capacity), and severe water deficit (0% of substrate water-holding capacity) for seven days. After five days of water withdrawal, moderately stressed plants were rewatered and allowed to recover to control conditions for two consecutive days. Leaf and root samples were collected for GC-MS-based metabolomic analyses, including amino acids, soluble sugars, and organic acids. In addition, the activities of enzymes related to nitrogen metabolism, including glutamine synthetase, glutamate synthase, and glutamate dehydrogenase, were determined. Physiological analyses were also performed, including gas exchange, osmotic adjustment capacity, root and shoot biomass, and indicators of water deficit, such as relative water content, membrane damage, and water potential. The results revealed progressive reductions in photosynthesis, stomatal conductance, and water potential under increasing levels of water deficit, accompanied by contrasting responses between roots and shoots. Whereas shoot growth was markedly reduced, roots exhibited increased biomass under moderate water deficit, suggesting a redistribution of resources to enhance water acquisition. Following rehydration, root biomass decreased and shoot growth resumed, indicating a functional reorganization of the root system during recovery. Enzymatic responses, particularly those involving glutamine synthetase and glutamate dehydrogenase, indicated a coordinated reorganization of nitrogen metabolism in leaves and roots under water deficit conditions. In parallel, plants exhibited osmotic adjustment in both organs, associated with the accumulation of amino acids, soluble sugars, and glycine betaine. Although proline accumulated substantially during stress, its relative contribution to osmotic adjustment was limited, indicating that maintenance of tissue turgor depends on the coordinated action of multiple osmolytes. Integrated physiological and metabolomic analyses revealed strong associations among plant water status, nitrogen metabolism, amino acid accumulation, and growth- related traits. Consistent alterations in 2-oxoglutarate and other organic acids suggest the involvement of these metabolites in the integration of carbon and nitrogen metabolism during water deficit. Furthermore, the high recovery capacity observed for several physiological and biochemical traits demonstrates that drought tolerance in cowpea depends on coordinated responses between roots and leaves involving physiological, biochemical, and metabolic adjustments that operate in an integrated manner during both stress and recovery.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/87393
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/6867488766137984
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/6073841207993010
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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