Victoria de Carvalho
Em 22 de fevereiro de 2022, a aluna Victória de Carvalho do programa de Pós-Graduação em Biodiversidade Vegetal e Meio Ambiente do Instituto de Pesquisas Ambientais (IPA), bolsista FAPESP (18/13529-3), defendeu a tese de doutorado intitulada: “Tolerância e memória à seca na bromélia epífita Acanthostachys strobilacea (Schult. & Schult.f.) Klotzsch”.
A banca examinadora foi presidida pela orientadora, Dra. Catarina Carvalho Nievola (IPA), e contou com a participação da Dra. Marisa Domingos (IPA), Dra. Helenice Mercier (Universidade de São Paulo), Dr. Gustavo Maia Souza (Universidade Federal de Pelotas), e Dr. Halley Caixeta de Oliveira (Universidade Estadual de Londrina).
Tolerância e memória à seca na bromélia epífita Acanthostachys strobilacea (Schult. & Schult.f.) Klotzsch
ABSTRACT
Epiphytic bromeliads depend on the atmosphere as a water source because they sustain themselves on trees, without direct contact between their roots and soil; therefore, they are naturally exposed to intermittent drought. Young plants of epiphytic bromeliads might be vulnerable to drought because they have a high predisposition to water loss and because several morphological adaptations to drought are not fully developed. Research on responses to drought and rewatering of juvenile epiphytic bromeliads can promote greater understanding of their tolerance to drought periods, which might be intensified due to climate change. Important components of plant drought defence include the antioxidant system, osmotic adjustment, and membrane permeability regulation through aquaporins. Many of these responses are regulated by signalling pathways composed of reactive oxygen and nitrogen species (RNS, ROS) and abscisic acid (ABA), activated during early drought. The epiphytic bromeliad Acanthostachys strobilacea (Schult. & Schult.f.) Klotzsch, native to the Atlantic Forest and Cerrado, presents several drought adaptations (e.g., crassulacean acid metabolism, CAM), being an appropriate model for the evaluation of drought defence mechanisms in juvenile epiphytic bromeliads. The objective of this work was to evaluate three hypotheses regarding the response to drought and subsequent recovery in juvenile plants of A. strobilacea, which are: (i) the first hours of drought exposure lead to an increase in the content of RNS, ROS and ABA and, subsequently, to the activation of defense mechanisms; (ii) plants show more intense biochemical defense responses after exposure to a second drought-rewatering cycle, indicating memory formation; (iii) short-term drought and rewatering result in modulation of the daily rhythm of CAM photosynthesis, associated with changes in aquaporin genes expression, anatomical pattern and water status. For the evaluation of the first two hypotheses, signalling molecules (e.g., RNS and ABA) and biochemical defence mechanisms (e.g., antioxidant activity and osmolyte content) were quantified. Gas exchange, water status parameters, and gene expression of aquaporins were evaluated for the validation of the third hypothesis. The first line of study showed that the increase in antioxidant enzymes activities, proline and osmotic adjustment occurred during 24 hours of drought concomitantly with peaks in the RNS content, suggesting the involvement of these molecules in drought signalling pathways. Contrary to expectations, ABA accumulation occurred later at 72 hours of exposure, being potentially related to the regulation of late responses to drought. The second study showed that the content of pigments, total amino acids and S-nitrosoglutathione reductase activity were intensified after a second exposure to a 14-day drought, performed after a cycle of 14 days of drought and 5 days of rewatering, confirming the second hypothesis. Finally, the third hypothesis was confirmed because a 14-day drought followed by one day of rewatering reversibly induced water remobilization in the hydrenchyma (water storage tissue), adjustments in aquaporins gene expression and in CAM photosynthesis. The present study provides evidence of physiological, biochemical, molecular, and morphological mechanisms of drought resistance in young A. strobilacea plants, demonstrating that a pronounced defence capacity is present from early ontogenetic stages in this species. This work provides information for future studies on the drought response of epiphytes aiming to better understand the roles of RNS and ABA in signalling pathways, memory formation and aquaporins contribution to the water dynamics between hydrenchyma and chlorenchyma, typical of succulents. Therefore, the results of this study combined with future research in the area can help in understanding how climate change might affect epiphytic bromeliads, essential to the ecological balance of tropical forests.
Keywords: Bromeliaceae, nitric oxide, oxidative stress, stress memory, succulence, water deficit
RESUMO
Bromélias epífitas dependem da água da atmosfera como fonte hídrica por se sustentarem sobre árvores e não haver contato direto entre suas raízes e o solo; portanto, são naturalmente expostas à seca intermitente. Plantas jovens de bromélias epífitas podem ser vulneráveis à seca pois têm alta predisposição à perda de água e pelo fato de diversas adaptações morfológicas à seca não estarem desenvolvidas por completo. A avaliação das respostas à seca e reidratação em plantas jovens de bromélias pode promover maior entendimento sobre sua tolerância aos episódios de seca, que podem se intensificar devido às alterações climáticas. Importantes componentes da defesa à seca em plantas incluem o sistema antioxidante, o ajuste osmótico e a regulação de permeabilidade de membranas através das aquaporinas. Muitas destas respostas são reguladas por vias de sinalização compostas por espécies reativas de oxigênio e nitrogênio (RNS, ROS) e o ácido abscísico (ABA), ativadas em curto prazo de exposição à seca. A bromélia epífita Acanthostachys strobilacea (Schult. & Schult.f.) Klotzsch, nativa da Mata Atlântica e Cerrado, apresenta diversas adaptações à seca (e.g. metabolismo ácido das crassuláceas, CAM), sendo um adequado modelo de estudo para a avaliação de mecanismos de defesa à seca em plantas jovens de bromélias epífitas. O objetivo deste trabalho foi avaliar três hipóteses quanto à resposta à seca e recuperação em plantas juvenis de A. strobilacea, sendo elas: (i) as primeiras horas de exposição à seca levam ao aumento no teor dos sinalizadores RNS, ROS e ABA e, subsequentemente, à ativação de mecanismos de defesa; (ii) as plantas mostram respostas bioquímicas de defesa mais intensas após exposição a um segundo ciclo de seca-reidratação, indicando formação de memória; (iii) existe modulação no ritmo diurno da fotossíntese CAM dentre a seca e reidratação em curto prazo, associada a alterações na expressão gênica de aquaporinas, padrão anatômico e parâmetros hídricos. Para a avaliação das duas primeiras hipóteses, foram quantificadas moléculas sinalizadoras (ROS, RNS e ABA) e mecanismos de defesa bioquímicos (e.g. atividade antioxidante e conteúdo de osmólitos). Para a validação da terceira hipótese, avaliaram-se trocas gasosas, parâmetros hídricos, anatômicos e expressão gênica de aquaporinas. A primeira linha de estudo mostrou que o aumento em atividade de enzimas antioxidantes, prolina e ajuste osmótico ocorreu ao longo de 24 horas de seca concomitantemente a picos no teor de RNS, sugerindo o envolvimento destas moléculas nas vias de sinalização à seca. Ao contrário do esperado, o acúmulo de ABA ocorreu posteriormente às 72 horas de exposição, estando potencialmente relacionado à regulação de respostas mais tardias à seca. O segundo estudo mostrou que o conteúdo de pigmentos, aminoácidos totais e atividade da S-nitrosoglutationa redutase aumentaram após uma segunda exposição à seca de 14 dias, realizada após um ciclo de seca de 14 dias e reidratação por 5 dias, confirmando a segunda hipótese. Por fim, a terceira hipótese foi confirmada pois a exposição à seca e reidratação por 14 dias e um dia, respectivamente, induziu de modo reversível a remobilização de água no hidrênquima (tecido armazenador de água), ajustes na expressão gênica de aquaporinas e na fotossíntese CAM. O presente estudo fornece evidências de mecanismos fisiológicos, bioquímicos, moleculares e morfológicos de resistência à seca em plantas jovens de A. strobilacea, demonstrando pronunciada capacidade de defesa desde estágios ontogenéticos iniciais nesta espécie. Este trabalho cria subsídios para futuros estudos sobre a resposta à seca em epífitas visando aprofundamento do papel das RNS e ABA em vias sinalizadoras, da formação de memória e da contribuição das aquaporinas na dinâmica hídrica entre o hidrênquima e clorênquima, típico de suculentas. Portanto, os resultados deste trabalho aliados a futuras pesquisas na área podem auxiliar na compreensão de como as alterações climáticas podem afetar bromélias epífitas, essenciais ao equilíbrio ecológico das florestas tropicais.
Palavras-chave: Bromeliaceae, déficit hídrico, estresse oxidativo, memória a estresse, óxido nítrico, suculência
Victoria de Carvalho
Tolerância e memória à seca na bromélia epífita Acanthostachys strobilacea (Schult. & Schult.f.) Klotzsch
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