Marcela Regina Gonçalves da Silva Engela
No dia 30 de novembro de 2020 as 9h, a aluna do programa de Pós-graduação em Biodiversidade Vegetal e Meio Ambiente do Instituto de Botânica de São Paulo (IBt), Marcela Regina Gonçalves da Silva Engela (Bolsista FAPESP), defendeu sua tese de doutorado intitulada: “Perfil metabólico de espécies nativas de Mata Atlântica expostas a estressores ambientais”.
A banca examinadora foi composta pela Dra. Marisa Domingos (orientadora/IBt), Dr. Wagner Vilegas (UNESP), Dr. Emerson Alves da Silva (IBt), Dr. Danilo Centeno (UFABC) e Dra. Barbara Baesso Moura (CNR/Itália).
O trabalho teve como objetivo avaliar o perfil metabólico para ampliar o conhecimento cerca dos metabólitos primários e secundários e indicar o potencial de tolerância e sensibilidade de três grupos funcionais (espécies arbóreas pioneiras, arbóreas não pioneiras e lianas) a múltiplos fatores de estresse ambiental (climáticos e/ou poluição atmosférica).
Para tanto, efetuamos as análises metabólicas de vinte e umas espécies arbóreas nativas (pioneiras vs não pioneiras) de ocorrência em diferentes remanescentes florestais localizados no sudeste do Brasil (São Paulo e Minas Gerais).
Também avaliamos as repostas bioquímicas e fisiológicas de Eugenia uniflora em 2017, após experimento controlado com ozônio (O3), realizado na Itália, sob a supervisão da Dra Elena Paoletti do Institute for Sustainable Plant Protection/National Research Council of Italy.
Além disso, Passiflora edulis, uma espécie de liana tropical, foi exposta em 2019 novamente ao ozônio em sistema O3-FACE System com acréscimo de N ao solo, onde foi possível avaliar repostas bioquímicas, fisiológicas e padrões de crescimento da espécie. O experimento também foi realizado na Itália, sob a supervisão da Dra. Elena Paoletti no Institute of Research on Terrestrial Ecosystems//National Research Council of Italy.
Perfil metabólico de espécies nativas de Mata Atlântica expostas a estressores ambientais
ABSTRACT
Forest ecosystems are naturally subject to several oxidative stress factors and due to the expansion of cities, the increase in agricultural and industrial activities, ecosystems have been fragmented and affected by anthropic stress factors, such as increased concentrations of gaseous and air pollution. Pollutants from natural and man-made sources, such as ozone and nitrogen dioxide, are released into the atmosphere. Ozone is considered the most important air pollutants in urban and rural areas, as it is highly phytotoxic. Another common process in urban centers is the burning of fossil fuels, which emits considerable amounts of nitrogen oxides (NOx), one of the precursors of the formation of ozone from photochemical processes in the atmosphere. In addition, in recent years, high deposition of gaseous nitrogen compounds, dissolved in rainwater or adsorbed to particulate matter has been observed in terrestrial ecosystems, especially in regions with high population density and intense agricultural activity. Gaseous pollutants, such as NO2 and O3, enter plants through stomata and are metabolized in different cell compartments, where they spontaneously decompose in aqueous solution, forming reactive oxygen species (ROS), which can cause the degradation of lipids, nucleic acids, proteins and pigments. Still, they can cause alterations in photosynthesis, changes in the characteristics of the fluorescence signals of chlorophylls, reduction of Rubisco, reduction in stomatal conductance and consequently the reduction in net carbon assimilation. As a consequence of these changes, there may be a decrease in metabolites, especially those directly linked to photosynthesis. However, the literature demonstrates that certain compounds can assist the defense system of plants in the elimination of ROS, especially in the latter the role of carbohydrates, amino acids, organic acids and phenolic substances. Through metabolomics, it is possible to verify the changes that environmental stress, especially pollutants could cause in plants. Thus, the present thesis uses the ecosystem approach, where biochemical, physiological leaf characteristics of species representative of three functional groups of the Atlantic Forest (pioneer tree species, non-pioneer trees and lianas) were studied. For this, three experimental steps were carried out: (1) 21 tree species were selected and studied during the rainy and dry periods of 2016 in four forest remnants in southeastern Brazil; (2) Eugenia uniflora, a non-pioneer species, was subjected to O3 in 2017 in the O3-FACE system (Free-Air Controlled Exposure); (3) Passiflora edulis, a species of liana, was subjected to O3 in 2019 in O3-FACE (Free-Air Controlled Exposure) system with addition of N to the soil. We identified in the 21 species of the different functional groups, through the analysis in GC-EIMS, 13 carbohydrates, 6 fatty acids, 4 organic acids, ascorbic acid, 3 amino acids, 3 phenolic acids, 2 terpenes and 2 alkanes and the HPLC-DAD analyzes detected 5 flavonoids. Principal component analyzes (PCA) did not reveal clear distinctions between pioneer and non-pioneer species and also showed a seasonal variation in the metabolic profile of tree species. It occurred in response to natural and anthropic stressors according to non-metric multidimensional scaling analyzes and appeared to be an acclimatization response to these multiple environmental stresses. However, Eugenia uniflora, was sensitive to oxidative stress caused by ozone, since we found a classic O3 lesion: reduced carbohydrate and fatty acid concentrations, non-significant changes in the polyphenols profile, inefficient antioxidant responses, increased ROS content and indicators of lipid peroxidation, reductions in stomatal conductance, liquid photosynthesis, root / shoot ratio and height growth. However, we also found some compensation mechanisms, such as increasing the leaf concentration of polyols to protect the membranes and increasing the number of leaves to compensate for the decline in the photosynthetic rate. Finally, the last experiment conducted with Passiflora edulis exposed to ozone and the addition of nitrogen to the soil, it was possible to verify that the supply of N mitigated the effects of high levels of O3 on growth, biomass, photosynthesis, chlorophyll fluorescence and increased antioxidant defense components analyzed in P. edulis. The absence of visible leaf damage, no reduction in growth, biomass production and significant increases in fatty acids, polyols, amino acids (such as proline), ascorbic acid, flavonoid concentrations and the increase in the number of leaves suggest that the studied cultivar is capable to tolerate oxidative stress induced by the interactive effects of O3 and the addition of nitrogen in the soil. The results obtained in the thesis, help to fill the knowledge gaps on the responses of tropical species of different functional groups to the different environmental stressors in which they are exposed daily, mainly to ozone and the combined effect with the addition of nitrogen in the soil.
Keywords: ecosystems, oxidative stress, environmental stressors, tropical species, metabolites, ozone, nitrogen.
RESUMO
Os ecossistemas florestais estão naturalmente sujeitos a diversos fatores de estresse oxidativo. Devido à expansão das cidades, o aumento das atividades agrícolas e industriais, os ecossistemas vêm sendo fragmentados e afetados por fatores antrópicos de estresse, como o aumento das concentrações de poluentes gasosos e particulados. O ozônio é considerado um dos poluentes atmosféricos mais importantes em áreas urbanas e rurais, por ser altamente fitotóxico. Outro processo comum nos centros urbanos é a queima de combustíveis fósseis, que emite quantidades consideráveis de óxidos de nitrogênio (NOx), um dos precursores da formação do O3 a partir de processos fotoquímicos na atmosfera. Somado a isso, nos últimos anos, alta deposição de compostos de nitrogênio gasosos, dissolvidos na água de chuva ou adsorvidos ao material particulado tem sido observada em ecossistemas terrestres, especialmente em regiões com alta densidade populacional e intensa atividade agrícola. Os poluentes gasosos, como o NO2 e O3, entram nas plantas através dos estômatos e são metabolizados em diferentes compartimentos celulares, onde decompõem-se espontaneamente em solução aquosa, formando espécies reativas de oxigênio (ERO), que podem causar a degradação de lipídeos, ácidos nucleicos, proteínas e pigmentos. Ainda, podem causar alterações na fotossíntese, ocasionando em mudanças nas características dos sinais de fluorescência das clorofilas, redução da Rubisco, redução da condutância estomática e consequentemente a redução da assimilação líquida de carbono. Entretanto, a literatura demonstra que determinados compostos podem auxiliar o sistema de defesa vegetal na eliminação das ERO, destacando-se nos últimos o papel dos carboidratos, aminoácidos, ácidos orgânicos e substâncias fenólicas. Através da metabolômica, é possível verificar as alterações que os diferentes estresses ambientais poderiam causar no metabolismo vegetal. Assim, a presente tese utilizou a abordagem ecossistêmica, sendo estudado o perfil de espécies representativas de três grupos funcionais da Floresta Atlântica (espécies arbóreas pioneiras, arbóreas não pioneiras e lianas). Para tanto, três etapas experimentais foram realizadas: (1) 21 espécies arbóreas pertencentes a diferentes grupos funcionais foram selecionadas e estudadas durante os períodos chuvoso e seco de 2016 em quatro remanescentes florestais do sudeste do brasileiro; (2) Eugenia uniflora, espécie não pioneira, foi exposta em 2017 ao O3 em sistema O3-FACE (Free-Air Controlled Exposure); (3) Passiflora edulis, uma liana tropical, foi exposta em 2019 ao ozônio em sistema O3-FACE com acréscimo de N ao solo. Identificamos nas 21 espécies, por GC-EIMS, 13 carboidratos, 6 ácidos graxos, 4 ácidos orgânicos, ácido ascórbico, 3 aminoácidos, 3 ácidos fenólicos, 2 terpenos e 2 alcanos, enquanto as análises por HPLC-DAD detectaram flavonoides. As análises de componentes principais (APC) não revelaram distinções claras entre espécies pioneiras e não pioneiras, mas evidenciou uma variação sazonal no perfil metabólico dessas espécies. Ocorreu em resposta a fatores de estresse naturais e antrópicos de acordo com análises não métricas de escalonamento multidimensional, sugerindo ser uma resposta de aclimatação a esses múltiplos estresses ambientais. Eugenia uniflora mostrou-se sensível ao estresse oxidativo causado pelo ozônio, mostrando injúrias clássicas induzidas por O3, entre as quais: redução nas concentrações de carboidratos e ácidos graxos, mudanças não significativas no perfil dos polifenóis, respostas antioxidantes ineficientes, conteúdo aumentado de ERO e indicadores de peroxidação lipídica, reduções na condutância estomática, fotossíntese líquida, razão raiz/parte aérea e crescimento em altura. No entanto, foram também observados alguns mecanismos de compensação, como o aumento da concentração foliar de polióis, representando uma para proteção às membranas e aumento do número de folhas para compensar o declínio da taxa fotossintética. Por fim, o último experimento conduzido com Passiflora edulis expostas ao O3 e a adição de nitrogênio no solo foi possível verificar que o suprimento de N amenizou os efeitos dos níveis elevados de O3 sobre o crescimento, biomassa, fotossíntese, fluorescência da clorofila e elevou os componentes de defesa antioxidante analisados em P. edulis. A ausência de dano foliar visível, não redução no crescimento, produção de biomassa e aumentos significativos nos ácidos graxos, polióis, aminoácidos (como prolina), ácido ascórbico, concentrações de flavonóides e o aumento no número de folhas sugerem que a cultivar estudada é capaz de tolerar o estresse oxidativo induzido pelos efeitos interativos do O3 e da adição de nitrogênio no solo. Os resultados obtidos na tese, ajudam a preencher as lacunas de conhecimento sobre as respostas de espécies tropicais de diferentes grupos funcionais aos diferentes estressores ambientais em que estão diariamente expostos, principalmente ao ozônio e o efeito combinado com a adição de nitrogênio no solo.
Palavras-chave: ecossistemas, estresse oxidativo, estressores ambientais, espécies tropicais, metabólitos, ozônio, nitrogênio.
Marcela Regina Gonçalves da Silva Engela
Perfil metabólico de espécies nativas de Mata Atlântica expostas a estressores ambientais
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