Efeito combinado da elevada [CO2] atmosférica e déficit hídrico em genótipos de cana-de-açúcar - Silva, Renan Gonçalves da [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021)
As projeções atuais indicam um aumento na concentração atmosférica de dióxido de carbono [CO2] e, consequentemente, a intensificação da escassez dos recursos hídricos. A deficiência hídrica no solo, assim como outros fatores associados às alterações climáticas, são fatores ambientais que afetam significativamente a produtividade das culturas. Como a vegetação terrestre poderá atenuar os efeitos das mudanças climáticas? Como reagirão as plantas aos ambientes estressantes previstos para os próximos anos? Com base nos estudos que consideraram os efeitos da elevada [CO2] e que foram realizados com plantas de metabolismo C4, verificamos que se faz necessário investir no entendimento das respostas fisiológicas e genéticas que são reguladas frente aos múltiplos estresses (Capítulo 2). Desse modo, o objetivo dessa pesquisa foi compreender as principais respostas fisiológicas, bioquímicas e moleculares de genótipos de cana-de-açúcar, em decorrência da deficiência hídrica no solo associada ao aumento na [CO2]. Dois genótipos de cana-de-açúcar (IACSP94-2094 e IACSP94-2101), contrastantes em relação a diversas características agronômicas (por exemplo, recomendação de plantio e rusticidade), foram cultivados em casa de vegetação e, após 60 dias, submetidos ao bioensaio de elevada [CO2] e déficit hídrico. O experimento foi realizado em delineamento inteiramente casualizado. Os tratamentos consistiram de plantas em condições ideais de irrigação e [CO2] de 410 ppm (controle), e plantas submetidas à elevada [CO2] (800 ppm) e déficit hídrico (estresse), por 30 dias. As análises compreenderam parâmetros biométricos, como o crescimento da parte aérea e do sistema radicular; parâmetros fisiológicos, como a medida da eficiência quântica do fotossistema II (FvFm), conteúdo de pigmentos fotossintéticos, entre outros; parâmetros bioquímicos e moleculares, relacionando a atividade de enzimas antioxidantes, conteúdo de glutationa (GSH), flavonoides, e a identificação por RNA-seq do cabedal gênico diferencialmente expresso. Em relação aos parâmetros de crescimento, as análises estatísticas mostraram o “agrupamento” das plantas avaliadas nas condições impostas (Capítulo 3). Os coeficientes de correlação entre os parâmetros biométricos foram positivamente significativos, ou seja, o estresse hídrico foi um fator limitante para ambos os genótipos, promovendo de forma geral, uma redução significativa no desenvolvimento da parte aérea e radicular das plantas. No entanto, observa-se vias de respostas/defesa diferencialmente regulados nesses genótipos (Capítulo 4). Um total de 2.081 e 4.266 genes foram diferencialmente expressos (DEGs) nos genótipos IACSP94-2094 e IACSP94-2101, respectivamente. O genótipo IACSP94-2101, mais responsivo ao estresse abiótico, ativa um conjunto mais expressivo de genes e induz um número considerável de peroxidases. Por outro lado, no genótipo IACSP94-2094, possivelmente ocorre um acúmulo transiente de peróxido de hidrogênio (H2O2) e malondialdeído (MDA), sinalizando para a ativação do sistema antioxidante e danos menos severos nos fotossistemas (PSI e PSII). DEGs relacionados à sinalização mediada por ácido abscísico, fotossíntese e metabolismo secundário foram identificados em ambos os genótipos. Ressalta-se que o presente trabalho realizou uma abordagem global do transcriptoma. Genes potencialmente de interesse podem ser caracterizados funcionalmente e desse modo, pode-se reconsiderar os efeitos dos estresses abióticos e definir estratégias biotecnológicas que visam o melhoramento genético de cana-de-açúcar.

Current projections indicate an increase in the atmospheric concentration of carbon dioxide [CO2] and consequently an intensification of the scarcity of water resources. Water deficiency in the soil, as well as other factors associated with climate change, are environmental factors that significantly affect crop productivity. How can terrestrial vegetation mitigate the effects of climate change? How will plants react to the stressful environments expected in the coming years? Based on studies that considered the effects of elevated [CO2] and that were carried out with plants with C4 metabolism, we found that it is necessary to invest in the understanding of the physiological and genetic responses that are regulated under multiple stresses (Chapter 2). Thus, the objective of this research was to understand the main physiological, biochemical and molecular responses of sugarcane genotypes, due to water deficiency in the soil associated with increased [CO2]. Two sugarcane genotypes (IACSP94-2094 and IACSP94-2101), contrasting in relation to several agronomic characteristics (e.g., recommendation for planting and rusticity), were grown in a greenhouse and after 60 days, submitted to elevated [CO2] and water deficit experiment. The experiment was carried out in a completely randomized design. The treatments consisted of plants under ideal irrigation conditions and 410 ppm [CO2] (control), and plants subjected to elevated [CO2] (800 ppm) and water deficit (stress), for 30 days. The analyzes included biometric parameters such as the growth of the aerial part and the root system; physiological parameters, such as the quantum efficiency of photosystem II measurement (FvFm), photosynthetic pigments content, among others; biochemical, and molecular parameters, relating the antioxidant enzymes activity, glutathione (GSH) content, flavonoids, and RNA-seq for differentially expressed gene identification. Regarding the growth parameters, the statistical analyzes showed the “grouping” of the plants evaluated under the imposed conditions (Chapter 3). The correlation coefficients between the biometric parameters were positively significant, that is, water stress was a limiting factor for both genotypes, promoting, in general, a significant reduction in the development of the aerial and root parts of plants. However, we observed differently regulated response/defense pathways in these genotypes (Chapter 4). A total of 2,081 and 4,266 genes were differentially expressed (DEGs) in IACSP94-2094 and IACSP94-2101 genotypes, respectively. The IACSP94-2101 genotype, more responsive to abiotic stress, activates a more expressive set of genes and induces a considerable number of peroxidases. Otherwise, in the IACSP94-2094 genotype, there is possibly a hydrogen peroxide (H2O2) and malondialdehyde (MDA) transient accumulation, signaling of the antioxidant system activation and less severe damage to photosystems (PSI and PSII). DEGs related to abscisic acid-mediated signaling, photosynthesis, and secondary metabolism were identified in both genotypes. It is noteworthy that the present work carried out a global approach to the transcriptome. Potentially interesting genes can be functionally characterized and in this way, we can reconsider the abiotic stresses effects and define biotechnological strategies aimed at the genetic improvement of sugarcane.
Combined effect of elevated [CO2] atmospheric and water deficit on sugarcane genotypes
Keywords: Expressão gênica; Mudanças climáticas; Saccharum spp.; Sistema antioxidante; Gene expression; Climate change; Antioxidant system