Modulação da fotossíntese por açúcares e deficiência hídrica em plantas de cana-de-açúcar. - Lobo, Ana Karla Moreira (2015)
LOBO, A. K. M. Modulação da fotossíntese por açúcares e deficiência hídrica em plantas de cana-de-açúcar. 2012. 107 f. Dissertação (Mestrado em Bioquímica) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012. === Submitted by Francisco Lacerda (lacerda@ufc.br) on 2014-10-06T18:35:41Z No. of bitstreams: 1 2012_dis_akmlobo.pdf: 1013862 bytes, checksum: fed127e369a87a9e494a73a02c5d60f4 (MD5) === Approved for entry into archive by José Jairo Viana de Sousa(jairo@ufc.br) on 2015-01-19T18:05:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_dis_akmlobo.pdf: 1013862 bytes, checksum: fed127e369a87a9e494a73a02c5d60f4 (MD5) === Made available in DSpace on 2015-01-19T18:05:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_dis_akmlobo.pdf: 1013862 bytes, checksum: fed127e369a87a9e494a73a02c5d60f4 (MD5) Previous issue date: 2012 === The sugarcane has worldwide importance for storing large amounts of sucrose in the stalk. However, its production is limited by negative regulation in photosynthetic rate modulated by the sugars accumulation in the stalk (decrease in sink strength) or by the accumulation in the leaves (negative feedback). Another factor responsible for the reduction in photosynthesis and sucrose accumulation in the culm is the water deficiency presence. The mechanisms involved in the reduction in sucrose production by accumulation of sugars and drought are not yet completely understood. The aim of this study was to evaluate the inhibition processes of photosynthesis and changes in the metabolism of sugars induced by sugars and water stress in sugarcane plants. Therefore, two studies were conducted with sugarcane plants with four months old. At first, it was applied exogenous sucrose solution (50 mM) in the expanded leaves of plants grown in greenhouse conditions, followed by experiments on dose and timedependent sucrose in leaf segments and finalized by experiment with application of exogenous sugars (50 mM sucrose, glucose and fructose) in the expanded leaves of plants grown in controlled environmental conditions (phytotron). In the second study, the plants were subjected to irrigation suspension for five days in two environmental conditions: a greenhouse with natural conditions of high temperature, high vapor pressure deficit and high photosynthetic photon flux density (severe stress) and the second in phytotron conditions (moderate stress). The exogenous sucrose application caused changes in the sugars metabolism [alteration in sugars levels and activities of invertase acid soluble (SAI) and neutral (NI), sucrose synthase (SuSy) and sucrose phosphate synthase (SPS)]. Sucrose caused a strong reduction in CO2 assimilation and parameters of the activity of photosystem II. When compared with glucose and fructose, the sucrose caused greater reduction in maximum photosynthesis, carboxylation efficiency of PEP (Vpmax) and maximum rate of regeneration of PEP (Vpr). Furthermore, sucrose caused strong inhibition of Rubisco activity, decrease in its state of activation and reduction in its concentration (expression), whereas the PEPcase activity in vitro was unchanged. Water deficit caused decreases in photosynthetic rates, leaf gas exchange and photochemical, suggesting stomatal and non-stomatal limitations of photosynthesis. Gas exchanges were more affected in greenhouse conditions compared to the controlled environment of phytotron. Drought treatment caused increases in the soluble sugars levels in the leaves only in natural environmental conditions and under controlled conditions this treatment led to increases in NI and SPS activities while the activities of SuSy and SPS sheets were not changed. The maximum photosynthesis was decreased following the decrease of Vpmax and Vpr that were associated with a decrease in the PEPcase and Rubisco activities and expressions. Considering the results, it is concluded that sucrose negatively modulates photosynthesis of sugarcane per exercise a regulation in the Rubisco expression and activity. This effect leads to a reduction in the rate of carboxylation in vivo PEPcase probably by an indirect mechanism via modulation of the enzyme. Moreover, drought negatively modulates photosynthesis by different mechanisms affecting the Rubisco and PEPcase expression and activities reflecting reduction in the rates of carboxylation of PEP. In both cases studied was not possible to elucidate the role of changes in the metabolism of sugars in the regulation of photosynthesis. Therefore, the present study did not elucidate as sucrose and/or hexoses modify the Rubisco expression and activity and drought alters the Rubisco and PEPcase expression and activity. === A cana-de-açúcar possui importância mundial por armazenar grande quantidade de sacarose no colmo. Entretanto, sua produtividade é limitada por regulação negativa na taxa fotossintética modulada pela acumulação de açúcares no colmo (diminuição na força de dreno) ou pela acumulação nas folhas (“feedback” negativo). Outro fator responsável pela redução na fotossíntese e acumulação de sacarose no colmo é a presença de deficiência hídrica. Os mecanismos envolvidos com a redução na produção de sacarose por acumulação de açúcares e seca ainda não foram completamente esclarecidos. O objetivo deste trabalho foi avaliar os processos de inibição da fotossíntese e alterações no metabolismo de açúcares induzidos por açúcares e deficiência hídrica em plantas de cana-de-açúcar. Para tanto, foram realizados dois estudos com plantas de cana-de-açúcar com quatro meses de idade. No primeiro, foi aplicada solução exógena de sacarose (50 mM) nas folhas expandidas de plantas mantidas em condições de casa de vegetação, seguidos de experimentos de dose e tempodependente de sacarose em segmentos foliares e finalizado por um experimento com aplicação de açúcares exógenos (sacarose, glicose e frutose 50 mM) nas folhas expandidas de plantas mantidas em condições ambientais controladas em câmara de crescimento (fitotron). No segundo estudo, as plantas foram submetidas à suspensão de rega por cinco dias em duas condições ambientais: casa de vegetação com condições naturais de temperatura elevada, alto déficit de pressão de vapor e alta densidade de fluxo de fótons fotossintéticos (estresse severo) e o segundo em condições controladas no fitotron (estresse moderado). A aplicação de sacarose exógena causou mudanças no metabolismo de açúcares [alteração nos níveis de açúcares e atividade de invertase ácida solúvel (SAI) e neutra (NI), sintase de sacarose (SuSy) e sintase de sacarose fosfato (SPS)]. A sacarose causou forte redução na assimilação de CO2 e em parâmetros da atividade do fotossistema II. Quando comparada com glicose e frutose, a sacarose causou maior redução na fotossíntese máxima, velocidade máxima de carboxilação da PEPcase (Vpmax) e taxa máxima de regeneração de PEP (Vpr). Além disso, a sacarose causou forte inibição na atividade de Rubisco, diminuição no seu estado de ativação e redução em sua concentração (expressão), enquanto que a atividade in vitro de PEPcase não foi alterada. A deficiência hídrica causou redução das taxas fotossintéticas com decréscimos dos parâmetros de trocas gasosas e de fotoquímica, sugerindo limitações estomáticas e não estomáticas da fotossíntese. As trocas gasosas foram mais afetadas nas condições de casa de vegetação em comparação com o ambiente controlado. O tratamento de seca causou aumentos nos níveis de açúcares solúveis nas folhas apenas em condições ambientais naturais e sob condições controladas este tratamento gerou aumentos das atividades de NI e SPS enquanto que as atividades de SuSy e SPS em folhas não foram alteradas. A fotossíntese máxima foi diminuída acompanhando os decréscimos de Vpmax e Vpr, que foram associadas com diminuição nas atividades e expressões de PEPcase e Rubisco. Diante dos resultados, concluise que sacarose modula negativamente a fotossíntese em cana-de-açúcar por exercer uma regulação na expressão e atividade de Rubisco. Esse efeito induz uma redução na taxa de carboxilação in vivo de PEPcase provavelmente por um mecanismo indireto via modulação da enzima. Por outro lado, a seca modula negativamente a fotossíntese por mecanismos distintos, afetando as expressões e atividades de PEPcase e Rubisco que refletem em redução nas taxas de carboxilação do PEP. Nas duas situações estudadas não foi possível elucidar o papel das mudanças no metabolismo de açúcares na regulação da fotossíntese. Portanto, o presente estudo não conseguiu elucidar como sacarose e/ou hexoses modificam a expressão e atividade de Rubisco e a seca altera as expressões e atividades de PEPcase e Rubisco.