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Type: Tese
Title: Salt stress is regulated by interactions with heat and spatiotemporal changes in rice plants
Title in English: Salt stress is regulated by interactions with heat and spatiotemporal changes in rice plants
Authors: Mendes, Kellyane da Rocha
Advisor: Silveira, Joaquim Albenisio Gomes da
Keywords in Brazilian Portuguese : Calor;Intensidade de estresse;Oryza sativa;Salinidade;Variabilidade espaço-temporal
Keywords in English : Heat;Intensity stress;Oryza sativa;Salinity;Spatiotemporal variability
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS
Issue Date: 2024
Citation: MENDES, Kellyane da Rocha. Salt stress is regulated by interactions with heat and spatiotemporal changes in rice plants. 2024. 136 f. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: Esta tese foi desenvolvida para testar as hipóteses de que os fatores de variação espaço-temporal (partes da planta e estágio de desenvolvimento) e interação de calor afetam diferencialmente os efeitos da salinidade sobre os processos-chaves fisiológicos e de crescimento em plantas de arroz. No capítulo 1 foi desenvolvido um estudo de revisão abordando a importância desses temas na fisiologia vegetal no contexto do crescimento e produtividade do arroz. No capítulo 2, plantas de arroz foram desafiadas com salinidade, com 25 mM de NaCl no início da fase vegetativa (estágio V4), e 50 mM do V7 até a fase reprodutiva final de maturação das panículas (R9). O objetivo foi estudar as interações entre a salinidade e as fases reprodutivas na variação espacial (partes da planta: folhas bandeira, folhas médias, raiz, colmos e panículas). Os resultados indicam que as fases ontogenéticas das folhas (idade) afetam significativamente os efeitos negativos da salinidade, sendo as folhas mais velhas (basais) mais suscetíveis aos processos de senescência e morte celular induzidos por salinidade. A salinidade também prejudica intensamente a produtividade do arroz, desde o número de panículas, massa e número de sementes e índice de colheita. Além de afetar significativamente a qualidade das sementes indicadas por baixa taxa de germinação e baixo vigor. Esses resultados foram associados ao acúmulo de Na+ e reduções nas relações K+/Na+ nessas partes da planta. Os conteúdos de N total também foram afetados diferencialmente em resposta às partes da planta e aos estágios reprodutivos. As folhas mais velhas e mortas apresentaram baixas oscilações no conteúdo de N-total nos dois estágios R3 e R7, enquanto as folhas bandeira apresentaram alta redução causada pelo estresse salino, especialmente em R7. Em conjunto, os dados sugerem que as folhas foram intensamente afetadas pelo estresse salino, exibindo intensa senescência associada com degradação de proteínas. As alterações no perfil de aminoácidos livres e de outros metabólitos, assim como as análises multivariadas (PCA, análise de componentes principais) corroboram com os resultados, indicando que o processo de degradação de proteínas é intensamente estimulado no estresse salino e que existe uma intensa variação espacial (diferentes partes da planta) e temporal (estágios de desenvolvimento da planta ). Ou seja, os processos metabólitos e sensibilidade ao estresse salino em termos de crescimento do arroz são espaço-temporalmente dependentes. No capítulo 3 foi desenvolvido um manuscrito envolvendo as interações entre calor e salinidade em plantas de arroz. Testamos a hipótese de que o calor pode estimular o transporte de Na+ em direção às folhas, agravando os efeitos osmóticos e iônicos. Paralelamente, a interação calor-salinidade poderia favorecer a resposta antioxidante nas folhas de arroz. Plantas de arroz foram expostas anteriormente a NaCl 0 e 100 mM por oito dias a 27 °C e posteriormente dois grupos foram transferidos para alta temperatura (42 °C) por 10 horas (calor e calor + sal) enquanto outros dois ocorreram a 27 ° C (controle e sal). A interação calor-salinidade estimulou grandemente o acúmulo de Na+ nas folhas causando intensa diminuição nas relações K+/Na+, induzindo significativas alterações osmóticas e iônicas. Os estômatos foram fechados causando prejuízo drástico na assimilação de CO2 e diminuindo a eficiência do uso da água. Em contraste, a atividade do PSII foi menos afetada. Inesperadamente, esse estresse combinado favorece parcialmente a proteção oxidativa, conforme indicado pela redução nos níveis de H2O2 e peroxidação lipídica associada à redução nos conteúdos de ascorbato e glutationa reduzidos e aumento nas atividades enzimáticas. Portanto, a alta temperatura agrava drasticamente os efeitos negativos causados pelo estresse salino na eficiência fotossintética, apesar dessa interação ter favorecido parcialmente a defesa antioxidante. Em conjunto, os trabalhos conduzidos nessa tese, revelam que a salinidade atua em plantas de arroz, e possivelmente na maioria das espécies, de uma forma integrativa e sistêmica, envolvendo multicomponentes ambientais e endógenos, os quais interagem entre si e de uma maneira espaço-temporal.
Abstract: This thesis was developed to test the hypotheses that spatiotemporal variation factors (plant parts and developmental stage) and heat interaction differentially affect the effects of salinity on key physiological growth processes in rice plants. In chapter 1, a review study was developed addressing the importance of these themes in plant physiology in the context of rice growth and productivity. In chapter 2, rice plants were challenged with salinity, with 25 mM NaCl at the beginning of the vegetative phase (V4 stage), and 50 mM from V7 until the final reproductive phase of panicle maturation (R9). The objective was to study the interactions between salinity and reproductive phases in spatial variation (plant parts: flag leaves, middle leaves, roots, culms and panicles). The results indicate that the ontogenetic phases of the leaves (age) significantly affect the negative effects of salinity, with older leaves (basal) being more susceptible to the processes of senescence and cell death induced by salinity. Salinity also severely affects rice productivity, including the number of panicles, mass and number of seeds and harvest index. In addition to significantly affecting the quality of seeds indicated by low germination rate and low vigor. These results were associated with Na+ accumulation and reductions in K+/Na+ ratios in these parts of the plant. Total N contents were also differentially affected in response to plant parts and reproductive stages. The oldest and dead leaves showed low fluctuations in total N content in both stages R3 and R7, while the flag leaves showed a high reduction caused by saline stress, especially in R7. Taken together, the data suggest that leaves were intensely affected by saline stress, exhibiting intense senescence associated with protein degradation. Changes in the profile of free amino acids and other metabolites, as well as multivariate analyzes (PCA, principal component analysis) corroborate the results, indicating that the protein degradation process is intensely stimulated in salt stress and that there is an intense variation spatial (different parts of the plant) and temporal (stages of plant development). That is, the metabolite processes and sensitivity to salt stress in terms of rice growth are spatiotemporally dependent. In chapter 3, a manuscript was developed involving the interactions between heat and salinity in rice plants. We tested the hypothesis that heat can stimulate Na+ transport towards the leaves, aggravating the osmotic and ionic effects. In parallel, the heat-salinity interaction could favor the antioxidant response in rice leaves. Rice plants were previously exposed to 0 and 100 mM NaCl for eight days at 27 °C and subsequently two groups were transferred to high temperature (42 °C) for 10 hours (heat and heat + salt) while two others were transferred to 27 °C (control and salt). The heat-salinity interaction greatly stimulated the accumulation of Na+ in the leaves, causing an intense decrease in the K+/Na+ ratios, inducing significant osmotic and ionic changes. The stomata were closed, causing drastic damage to the assimilation of CO2 and reducing the efficiency of water use. In contrast, PSII activity was less affected. Unexpectedly, this combined stress partially favors oxidative protection, as indicated by the reduction in H2O2 levels and lipid peroxidation associated with the reduction in reduced ascorbate and glutathione contents and increased enzymatic activities. Therefore, high temperature drastically aggravates the negative effects caused by salt stress on photosynthetic efficiency, despite this interaction having partially favored antioxidant defense. Taken together, the work conducted in this thesis reveals that salinity acts on rice plants, and possibly on most species, in an integrative and systemic way, involving multi-environmental and endogenous components, which interact with each other and in a spatial- temporal.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/76995
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8904-0505
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/0042913267073532
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/6073841207993010
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:PPCS - Teses defendidas na UFC

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