Aluminium toxicity in wheat and rye

Abstract

Com o presente trabalho pretendeu-se determinar e compreender melhor quais os alvos do Alumínio (Al) nas plantas, e contribuir para um melhor entendimento dos mecanismos de tolerância presentes em genótipos com elevado grau de tolerância ao Al. O Al é um dos maiores constituintes do solo e torna-se biodisponível em solos com baixo pH. Nesses casos, a exposição ao Al afecta negativamente o crescimento das plantas conduzindo a uma diminuição da produção. Estes factos são especialmente visíveis nos cereais, sendo a exposição ao Al uma das principais causas das quebras de produção nestas espécies. O Capítulo I consiste numa revisão geral sobre a toxicidade do Al nas plantas, apontando os seus principais alvos. Apresenta também os mecanismos de resistência, que inclui Al-destoxificação externa e interna, em diferentes espécies. O Capítulo II aborda os estudos sobre a exposição de curto prazo ao Al em duas espécies de cereais: Triticum aestivum L. e Secale cereale L., tendo-se sempre utilizado um genótipo Al-tolerante e um Al-sensível para cada espécie. Este capítulo está dividido em três estudos: no Capítulo II.1 realça-se o efeito da exposição a 185 μM de Al no equilíbrio nutricional em trigo. Verificou-se que em ambos os genótipos (sensível e tolerante) o perfil de macro e micro nutrientes se alterou, tendo uma interferência negativa, sobretudo no nível de P, Mg e K. Além disso, registaram-se diferenças na diferenciação da endoderme consoante o grau de tolerância/sensibilidade do genótipo. No Capítulo II.2 apresenta-se uma visão mais abrangente dos efeitos da exposição a 185 μM de Al em trigo, incluindo parâmetros fisiológicos, estruturais, citológicos e genotóxicos. Demonstra-se, pela primeira vez, que a progressão do ciclo celular é diferentemente regulada, dependendo da tolerância/sensibilidade do genótipo e que, mesmo em zonas já diferenciadas da raiz a exposição ao Al leva à deposição de calose. O Capítulo II.3 aborda os efeitos da exposição de 1.1 mM de Al em centeio, numa perspectiva bastante alargada. Apresenta-se o desequilíbrio nutricional, sobretudo no genótipo sensível, assim como a translocação de Al para a parte aérea nesse mesmo genótipo. Analisa-se também o comportamento de ambos os genótipos no que se refere ao ciclo celular, diferenciação da endoderme, crescimento radicular, reservas de hidratos de carbono, entre outros. Os resultados apontam para estratégias bem definidas adoptadas pelo genótipo tolerante de forma a minimizar a acção do Al no sistema radicular. O Capítulo III compreende a exposição longa ao Al. Dois genótipos de centeio com diferentes graus de tolerância ao Al foram expostos a 1.11 mM e 1.85 mM de Al durante 21 dias, tendo sido usados dois pontos de amostragem (15 e 21 dias). Este capítulo está dividido em dois estudos: No Capítulo III. 1 analisamse os mecanismos antioxidantes (folhas e raízes) como resposta à exposição ao Al, dando-se especial atenção ao ciclo do ascorbato-glutationas. A exposição ao Al levou a stress oxidativo e a alterações na actividade de enzimas antioxidantes e no conteúdo de antioxidantes não-enzimáticos. Demonstra-se que os dois órgãos apresentam respostas diferentes à exposição ao Al e que a capacidade de sobreviver em ambientes ricos em Al depende da eficácia da resposta antioxidante. Para além disso, a resposta do ciclo ascorbato-glutationas parece estar dependente do tipo de órgão, grau de tolerância e do tempo de exposição ao Al. No Capítulo III. 2 analisam-se os efeitos da exposição ao Al na fotossíntese. Verificou-se que o Al afecta negativamente a taxa fotossintética em ambos os genótipos, embora as alterações que o Al provoca nas trocas gasosas e no Ciclo de Calvin sejam dependentes do genótipo. Verificou-se também que os danos no genótipo sensível surgem mais cedo do que no genótipo tolerante, mas que ambos apresentam susceptibilidade ao Al após exposição de longo termo. Por fim, no Capítulo IV são apresentadas as conclusões da Tese de Doutoramento.

The present work aims to better understand which are the targets of aluminium (Al) in plants, and contribute to a better understanding of the tolerance mechanisms present in genotypes with high Al tolerance. Al is a major constituent of the soil and become bioavailable in soils with low pH. In such cases, exposure to Al adversely affects plant growth and leads to a decrease in production. These facts are especially evident in crops and exposure to Al is a major reason for reduction in crops production. Chapter I present a general review about Al toxicity in plants, pointing out their main targets. In addition, also presents the mechanisms of resistance, including external and internal Al-detoxification, shown in different species. Chapter II focuses on short term Al exposure in two species of cereals: Triticum aestivum L. and Secale cereal L., having always used one Al-tolerant and one Al-sensitive genotype for each species. This chapter is divided into three studies: In Chapter II.1 is enhanced the effect of exposure to 185μM of Al in the nutrient balance in wheat. It was found that in both genotypes (sensitive and tolerant) the profile of macro and micronutrients changed, with a negative interference on the level of P, Mg and K. Also, presents differences in endoderm differentiation depending on the degree of tolerance / sensitivity of the genotype. In Chapter II.2 a more comprehensive view of the effects of exposure to 185 μM Al in wheat is presented. This section includes physiological, structural, cytological and genotoxic effects. For the first time is demonstrated that the cell cycle progression is differently regulated depending on the tolerance / sensitivity of the genotype, and that even in differentiated root zones Al exposure leads to callose deposition. Chapter II.3 focuses on the effects of 1.1mm Al exposure in rye, in a very broad perspective. It is presented nutritional imbalances observed mainly in sensitive genotype and the Al translocation to shoots in the same genotype. It is also referred the different behaviour of both genotypes in relation to cell cycle, differentiation of endodermis, root growth, carbohydrate reserves, among others. All that points to well-defined strategies taken up by the tolerant genotype, in order to minimize the action of Al in roots. Chapter III focuses in long-term Al exposure. Two rye genotypes with different Al tolerance were exposed to 1.11 mM and 1.85 mM Al during 21 days, having been used two sampling points (15 and 21 days).This chapter is divided into two studies: In Chapter III. 1, are analyse the antioxidant mechanisms (leaves and roots) in response to Al exposure, with particular focus on the ascorbateglutathione cycle. Al exposure leaded to oxidative stress and to changes in the activity of antioxidant enzymes and in the content of non-enzymatic antioxidants. Is demonstrated that the two organs have different responses to Al exposure and that the ability to survive in environments rich in Al depends on the effectiveness of the antioxidant response. Furthermore, the response of the ascorbate-glutathione cycle seems to be dependent on organ type, Al-tolerance and time of Al-exposure. Chapter III. 2 analyze the effects of Al-exposure in photosynthesis. It is presented that Al negatively affects the photosynthetic rate in both genotypes, however the Al-induced alterations on gas exchange parameters and in Calvin cycle are genotype dependent. In this chapter, is demonstrated that Al induce earlier damages in the sensitive genotype, but both genotypes showed long-term susceptibility to Al. Finally, in Chapter IV the general conclusions of the present PhD Thesis are presented.