Emanuela de Oliveira Joaquim
A aluna Emanuela de Oliveira Joaquim (bolsista CAPES) obteve o título de Doutora pelo Programa de Pós-Graduação em Biodiversidade Vegetal e Meio Ambiente do Instituto de Botânica de São Paulo, em 22 de fevereiro de 2018. Sua tese de doutorado intitulada: “Metabolismo e localização de frutanos em Gomphrena marginata Seub. (Amaranthaceae), endêmica de Campos Rupestres” teve orientação da Dra. Maria Angela Machado de Carvalho.
A banca examinadora foi composta pela Dra. Maria Angela Machado de Carvalho (IBt), Dra. Moemy Gomes de Moraes (UFG), Dra. Marília Gaspar Mais (IBt), Dr. Augusto Cesar Franco (UNB) e Dra. Gladys Flávia de Albuquerque Melo de Pinna (USP)
Metabolismo e localização de frutanos em Gomphrena marginata Seub. (Amaranthaceae), endêmica de Campos Rupestres
ABSTRACT
Campos rupestres are mountain top ecosystems with rock outcrops, acid and nutritionally poor soils and often subjected to abiotic stresses. Gomphrena marginata (Amaranthaceae) is endemic of campos rupestres of the Espinhaço Mountain Range (MG) and listed as a rare species in Brazil. Several species of the Gomphrena genus express the C4 photosynthetic pathway and present thickened underground systems that store considerable amounts of carbohydrates generally of the fructan type. A preliminary analysis suggested the presence of levan-type fructans in the underground systems of G. marginata, atypical in eudicotyledonous, with only one report for Gomphrena macrocephala, herbaceous species from Cerrado. The aim of this work was to analyze in plants of G. marginata, fructan metabolism in different phenological phases, characterize the fructan chemical structure and the localization in the tissues, and characterize the photosynthetic metabolism. Plants were collected in the field at Serra de Itacambira (MG) during the phenological phases of dormancy (dry season), sprouting (beginning of rain season) and vegetative growth (end of rain season) in two phenological cycles. The activities of fructan biosynthetic and hydrolytic enzymes, the soluble sugars, osmotic potential and the water content were analyzed in different segments (proximal, median and distal) of the underground system. Carbohydrates were quantified colorimetrically and identified by HPAEC/PAD and nuclear magnetic resonance. For anatomical analyses samples were fixed in FAA 70, included in historesin and stained in toluidine blue O. For identification of fructan crystals, samples were sectioned by freehand cross-sections, and visualized under polarized light. Histochemical analyses and scanning electron microscopy were also performed. The first phenological cycle presented few variations in sugar contents and enzymatic activities. 1-SST (sucrose:sucrose 1-fructosyltranferase), the fructosyltransferase which initiates fructan synthesis, presented activity only in the vegetative phase. 1-FFT (fructan:fructan 1-fructosyltranferase), responsible to promote the elongation and/or reduction of the chain length, showed the highest activity at dormancy in the proximal segment and the FEH (fructan exohydrolase), showed higher activity in the sprouting phase, although no significant differences were found in the activities between phenological phases. In the second cycle, the lowest content of fructans was detected in the proximal segment at sprouting, when the highest contents of reducing sugars and highest osmotic potential values were also observed. FEH presented higher activity in the proximal segment at sprouting and vegetative phases. The median and distal segments did not present significant differences in the contents of total fructose and in enzymatic activities between phenological phases, indicating the preference to mobilize fructans accumulated in the proximal segment, near the aerial parts of the plant. HPAEC–PAD analyses revealed the presence of glucose, fructose, sucrose, 1-kestose, 6-kestose, nystose and fructans with degree of polymerization up to approximately 50 fructose units. RMN of two-dimensional 1H/13C HSQC and HMBC analyses showed the predominance of levan-type fructans, a linear molecule with β- 2,6 linkages, based on 6-kestose. Structural analyses of the underground organ revealed mainly a tuberous root, in which the vascular cylinder presents an unusual secondary growth pattern. Fructan crystals were visualized mostly in the cortex and vascular cylinder, and inside vessel elements. Leaves of G. marginata are amphistomatic, with high vein density, and with tector trichomes on both surfaces and in considerable amounts in the leaf bases. The leaves show Kranz anatomy, which together with the isotopic ratio of -14‰, confirm the C4 photosynthetic metabolism in this species. The high concentration of fructan along with C4 metabolism indicate that this species is well adapted to environments exposed to the abiotic stresses and climatic seasonality occurring in campos rupestres.
Keywords: Anatomy, C4, Kranz anatomy, levan, storage underground organ
RESUMO
Campos rupestres são ecossistemas de topo de montanha que apresentam afloramentos rochosos, solos ácidos e pobres em nutrientes e que estão frequentemente sujeitos a estresses ambientais. Gomphrena marginata (Amaranthaceae) é uma espécie endêmica dos campos rupestres da Cadeia do Espinhaço (MG) que se encontra presente na lista de espécies raras do Brasil. Muitas espécies do gênero Gomphrena possuem mecanismo fotossintético C4 com sistemas subterrâneos espessados que acumulam carboidratos, como por exemplo, os frutanos. Uma análise preliminar sugeriu a presença de frutano do tipo levano no sistema subterrâneo de G. marginata, ocorrência atípica em eudicotiledôneas, com apenas uma citação em Gomphrena macrocephala, espécie herbácea do Cerrado. Os objetivos do presente trabalho foram analisar em G. marginata o metabolismo de frutanos em diferentes fases fenológicas da planta, caracterizar sua estrutura química e sua localização nos tecidos, bem como caracterizar o seu metabolismo fotossintético. As plantas foram coletadas na Serra de Itacambira (MG) nas fases de dormência (seca), brotação (início das chuvas) e crescimento vegetativo (fim das chuvas), em dois ciclos fenológicos. A biossíntese e a degradação dos frutanos, o conteúdo dos carboidratos solúveis, o potencial osmótico e o teor de água foram analisados em diferentes segmentos (proximal, mediano e distal) do sistema subterrâneo. As quantificações de carboidratos foram realizadas por métodos colorimétricos e sua identificação por cromatografia (HPAEC/PAD) e ressonância magnética nuclear. Para a análise anatômica, amostras foram fixadas em FAA 70, incluídas em historesina e coradas com azul de toluidina. Para identificação dos cristais de frutanos, amostras dos sistemas subterrâneos foram seccionadas à mão livre e visualizadas sob luz polarizada. Foram realizados também testes histoquímicos e análise por microscopia eletrônica de varredura. No ciclo fenológico 1, houve poucas variações nos conteúdos de açúcares e nas atividades enzimáticas. A enzima 1-SST (sacarose:sacarose 1- frutosiltransferase), que inicia a síntese de frutanos, apresentou atividade somente na fase vegetativa. A 1-FFT (frutano:frutano 1-frutosiltransferase), enzima que promove tanto o alongamento como a diminuição das moléculas, apresentou maior atividade na fase de dormência no segmento proximal, e a enzima de hidrólise (FEH- frutano exohidrolase) apresentou maior atividade na fase de brotação, apesar de não apresentar diferença estatística significativa entre as fases. No ciclo 2, o conteúdo mais baixo de frutanos ocorreu na região proximal do sistema subterrâneo, na fase de brotação, que também apresentou maiores teores de açúcares redutores e potencial osmótico menos negativo. A FEH apresentou maior atividade no segmento proximal nas fases de brotação e de crescimento vegetativo. Os segmentos mediano e distal não apresentaram alterações expressivas no teor de frutose total e nas atividades enzimáticas entre as fases, indicando a preferência por mobilizar frutanos estocados nos segmentos mais próximos à parte aérea. Nas análises em HPAEC–PAD foram identificados glicose, frutose, sacarose, 1-cestose, 6-cestose, nistose e frutanos com grau de polimerização de até aproximadamente 50 unidades de frutose. Dados das análises bidimensionais de RMN 1H/13C HSQC e HMBC mostraram que o frutano predominante é o levano, uma molécula linear com ligações β- 2,6, baseada no trissacarídeo 6-cestose. Análises estruturais demonstraram que o sistema subterrâneo é composto majoritariamente de uma raiz tuberosa com potencial gemífero, no qual o cilindro vascular apresenta um crescimento secundário não usual. Cristais de frutanos foram visualizados principalmente no córtex, no cilindro vascular e no interior dos elementos de vaso. Folhas de G. marginata são anfiestomáticas, apresentam venações bem densas, tricomas tectores em ambas as faces e em grande abundância na base foliar. Apresentam anatomia Kranz que, juntamente com a razão isotópica de -14‰, confirma o metabolismo fotossintético C4 nesta espécie. A concentração elevada de frutanos e a presença do metabolismo fotossintético C4, evidenciam a adaptação desta espécie a ambientes sujeitos aos estresses ambientais e à sazonalidade climática ocorrentes nos campos rupestres.
Palavras-chave: Anatomia, anatomia Kranz, C4, levano, órgãos subterrâneos de reserva
Emanuela de Oliveira Joaquim
Metabolismo e localização de frutanos em Gomphrena marginata Seub. (Amaranthaceae), endêmica de Campos Rupestres
VOLTAR AS DISSERTAÇÕES E TESES