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Orientador: Sara Adrián López de Andrade Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: O fósforo (P) faz parte de moléculas essenciais para a vida e, portanto, é fundamental em processos metabólicos e fisiológicos das plantas. As rochas fosfatadas são a fonte principal de fertilizantes fosfatados e suas jazidas são finitas, fazendo do P um recurso não renovável. Ainda, o P no solo pode estar pouco disponível devido a sua interação com constituintes minerais e orgânicos do solo, sendo necessário entender como as plantas respondem a escassez de P no solo e como incrementam a eficiência do uso deste nutriente. O eucalipto é uma importante cultura no Brasil e cujo cultivo frequentemente demanda fertilização fosfatada, uma vez que ocorre em regiões de solos intemperizados e com baixa disponibilidade de P. A pesquisa apresentada nesta tese visa entender os mecanismos fisiológicos e moleculares relacionados com a absorção, distribuição e uso do P em plantas jovens de espécies de eucalipto. No primeiro experimento foi explorada a diversidade genética de 24 espécies de eucaliptos quanto à capacidade de crescer em solos com baixa disponibilidade de P utilizando parâmetros fisiológicos. No geral, houve grande variação na resposta das espécies quanto à eficiência de produção de biomassa sob baixa disponibilidade de P e sua responsividade à adição de P, porém observou- se que as espécies foram eficientes sob baixo P mas não eficientes, ou responsivas à adição de P. No entanto, não foram encontradas espécies eficientes e responsivas ao mesmo tempo. A capacidade fotossintética das plantas não se correlacionou com a eficiência no uso de P e a produção de biomassa das plantas, portanto possivelmente outros mecanismos fisiológicos estão envolvidos. A diversidade taxonômica das comunidades bacterianas e fúngicas da rizosfera dessas 24 espécies mostrou que as espécies de eucalipto modulam a composição da comunidade microbiana de sua rizosfera, e que a composição de bactérias e fungos na rizosfera são influenciados fortemente pela disponibilidade de P do solo. No segundo experimento cinco espécies selecionadas do primeiro experimento como contrastantes quanto à sua eficiência e responsividade ao P disponível no solo (E. acmenoides, E. grandis, C. maculata, E. tereticornis e E. globulus) foram utilizadas para avaliar a expressão de genes envolvidos na resposta deficiência de P (Phosphorus Stavation Response, PSR). Essas respostas se mostraram complexas; em espécies mais eficientes sob baixa disponibilidade de P, como E. acmenoides, houve indução de genes envolvidos na remodelação dos lipídeos de membranas. No entanto, no solo com baixa disponibilidade de P não houve indução de transportadores de fósforo (PHT1) na raiz, a indução do nível dos transcritos de PHT1 foi observada nas raízes das plantas do suficiente P, as quais apresentaram concentrações adequadas de P na folha. Assim supõe-se que em condições de solo interações com outros nutrientes podem ter alterado as respostas moleculares relacionadas com a PSR. Nos experimentos analisando as respostas interespecíficas de plantas jovens de eucalipto à disponibilidade de P foram diferentes, sugerindo que as espécies possuem a habilidade de se adaptar às condições de limitação de P e que interações complexas com outros fatores bióticos ou abióticos podem determinar essas respostas. Além disso, o incremento da abundância de transcritos de transportadores de P no solo com a maior disponibilidade de P não era esperado, sugerindo que, talvez, o balanço nutricional da planta tem mais influência na PSR do que previamente considerado, o que abre novas questões que podem ser exploradas no futuro Abstract: Phosphorus (P) is part of essential molecules for life, therefore, it is fundamental in plants metabolic and physiological processes. Phosphate rocks are the main source of phosphate fertilizers and their deposits are finite, making P a non-renewable resource. In addition, P in the soil may be poorly available due to its interaction with mineral and organic soil constituents, making necessary understand how plants respond to P scarcity in the soil and how they increase the nutrient use efficiency. Eucalyptus is an important crop in Brazil and its cultivation often requires phosphate fertilization, since it occurs in regions with weathered soils and low P availability. The research presented in this thesis aims to understand the physiological and molecular mechanisms related to the absorption, distribution and use of P in young plants of eucalyptus species. In a first experiment, the genetic diversity of 24 eucalyptus species were explored regarding their ability to grow in soils with low P availability using physiological parameters. Overall, there were great variation in species response regarding the biomass efficiency production under low P availability and their responsiveness to P addition, species were efficient under low P but not efficient, or responsive to P addition. However, were not found species efficient and responsive at the same time. The plant photosynthetic capacity did not correlate with P use efficiency and plant biomass production, therefore other physiological mechanisms are possibly involved. The taxonomic diversity of the rhizosphere bacterial and fungal communities of these 24 species showed that eucalyptus species modulate their rhizosphere microbial community composition, and rhizosphere bacteria and fungi composition are strongly influenced by P availability in the soil. In a second experiment five species selected from the first experiment as contrasting in terms of their efficiency and responsiveness to P available in the soil (E. acmenoides, E. grandis, C. maculata, E. tereticornis and E. globulus) were used to explore the expression of genes related to P starvation response (PSR). These responses proved to be complex; in efficient species under low P availability, such as E. acmenoides, genes related to membrane lipid remodelling were induced, however, there were no PHT1 transporters induction in plants under low P availability, were observed an increased in PHT1 transcript levels in roots of plants under sufficient P availability, which showed adequate leaf P concentrations, suggesting the molecular responses related to PSR may altered by soil interactions with other nutrients. In both experiments, interspecific responses of young eucalyptus plants to P availability were different, suggesting that under P-limiting conditions species have the ability to adapt, and the complex interactions with other biotic or abiotic factors may determine these responses. Furthermore, the PHT1 transcripts level increased under sufficient P availability were not expected, showing, perhaps, the relationship with plants nutritional balance had more influence on PSR than previously considered, that results opens new questions that may be explored in the future Doutorado Biologia Vegetal Doutora em Biologia Vegetal CAPES 88882329240/2019-01 ; 88887467253/2019-00 FAPESP 2016/25498-0

Orientador: Paulo Mazzafera Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: O fato do Ni fazer parte do sítio ativo da urease em plantas, e esta enzima ser a responsável pela eliminação de níveis tóxicos de uréia em plantas tem sido a justificativa para classificar este elemento como essencial. Por outro lado, a atividade da urease tem sido relacionada quase que estritamente à uréia produzida na conversão de arginina à ornitina, e principalmente em sementes. Nos tecidos vegetativos, folhas, por exemplo, os níveis de atividade de urease é muito baixo. Assim, são poucos os estudos que mostram que de fato Ni é essencial em plantas, estando restritos principalmente à leguminosa soja, e menos ainda os estudos que destacam o papel de urease no metabolismo de plantas. Estudos recentes têm mostrado que urease, e consequentemente Ni, pode ter papel importante na reciclagem de N entre pools metabólicos em plantas sob estresse. Dois experimentos foram realizados com plantas de Arabidopsis thalina que receberam fornecimento de fontes nitrogenadas (ureia e arginina) associados à oferta de níquel. Um terceiro experimento submeteu plantas dessa espécie a situações de restrição hídrica. Análise da expressão gênica e quantificação das concentrações de aminoácidos e poliaminas foram realizadas em todos os experimentos. Essas analises mostraram que o fornecimento de níquel causou alterações em vias metabólicas variadas além da via do metabolismo de arginina e ureia. Compostos como arginina, ornitina, ureia, glutamato, glutamina, prolina, GABA, citrulina, agmatina e poliaminas tiveram suas concentrações alteradas pelos tratamentos. Genes de enzimas das vias metabólicas desses compostos também apresentaram variações em sua expressão de acordo com os diferentes tratamentos. Aparentemente, essas alterações têm relação com a fonte nitrogenada administrada em conjunto com o metal. Com o experimento de seca foi possível notar que a concentração de osmoprotetores como prolina e poliaminas podem ser ligadas a vias alteradas pelo níquel. Apesar de estudo ainda ser necessário, vemos que o níquel e a urease podem ser elementos importantes para todo o metabolismo vegetal do nitrogênio e não somente para detoxificação de ureia intracelular Abstract: The fact that Ni is part of the active site of urease in plants, and this enzyme is responsible for the elimination of toxic levels of urea in plants has been the justification for classifying this element as essential. In contrast, urease activity has been almost strictly related to the urea produced in the conversion of arginine to ornithine and especially in seeds. In vegetative tissues, leaves, for example, the levels of urease activity is very low. Thus, there are few studies that actually show that Ni is essential in plants, being restricted mainly to soybean, and even fewer studies that highlight the role of urease in plant metabolism. Recent studies have shown that urease, and consequently Ni, may play a role in the recycling of N between metabolic pools in plants under stress. Two experiments were performed using Arabidopsis thalinana plants receiving treatments with nitrogen sources (urea and arginine) and nickel. A third experiment used same species plants under drought stress. Analysis for gene expressions, aminoacids concentration and polyamines concentrations were part of all three experiments. Those data indicated that Ni treatment caused changes in a variety of metabolic pathways beyond arginine and urea¿s reactions. Levels of arginine, ornithine, urea, glutamate, glutamine, proline, GABA, citruline, agmatine e polyamines were altered by the treatments. Genes for the enzymes of these substances¿s metabolic pathways had their expression changed as well. Those changes seem to be connected with the nitrogen source applied to the plants on the experiments. The third experiment indicates that osmoprotectors, as proline and polyamines, may have their accumulation affected by metabolic pathways that may be prone to interferences caused by Ni. Urease and Ni may be important factors not only to intracellular urea detoxification but also for the N metabolism as a whole Mestrado Genética Vegetal e Melhoramento Mestre em Genética e Biologia Molecular FAPESP 2015/05812-9; 2013/18416-9

Orientador: Sara Adrián López Andrade Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: O nitrogênio (N) e o fósforo (P) são nutrientes que podem limitar o desempenho das plantas. Atualmente, há crescente conscientização da importância das interações planta-microrganismo na aquisição de nutrientes e na promoção do crescimento de plantas, especialmente sob estresse. A micorriza arbuscular (MA) é uma das simbioses mais úbiquas entre raízes e fungos do solo, com reconhecido papel na nutrição mineral e na atenuação de diversos estresses em plantas. O objetivo foi avaliar os efeitos da simbiose micorrízica arbuscular (MA) sob aspectos fisiológicos e moleculares de soja nodulada exposta à deficiência de P, com especial interesse na capacidade de nodulação e no transporte e absorção de P. Realizaram-se dois experimentos em sistema hidropônico, usando vermiculita como substrato, nos quais plantas de soja (Glycine max [L.] Merrill) mantidas sob baixo nível de P (50 ?M) e noduladas com Bradyrhizobium elkanii foram inoculadas (+MA) ou não (-MA) com o fungo MA Glomus macrocarpum. Plantas não inoculadas mantidas em condições suficientes de P (500 ?M) constituiram o tratamento denominado -MA+P. A coleta das plantas foi realizada no início da floração e durante enchimento da semente. No primeiro experimento os resultados mostraram que a MA influenciou positivamente o crescimento e a nodulação em ambos os estádios estudados em relação às plantas -MA. Embora a micorrização não tenha compensado completamente a demanda por P quando comparada a planta de soja bem nutrida, a simbiose aumentou a atividade da nitrogenase na floração e levou a menor limitação metabólica da fotossíntese em condições de escassez de P, quando comparada às plantas não micorrizadas. Essas respostas poderiam ser resultantes da contribuição da micorriza na absorção de P, estímulo da fixação simbiótica de nitrogênio (FSN) e possivelmente do estímulo da fotossíntese pelo aumento da força dreno. No segundo experimento, os resultados foram diferentes ao primeiro quanto ao beneficio na nodulação e no crescimento, o que pode ter sido efeito de fatores climáticos pouco favoráveis ou da diminuição da capacidade colonizadora do fungo MA, uma vez que os níveis de colonização micorrízica neste experimento foram menores aos do primeiro experimento. Considerando o crescimento das plantas, a soja nodulada não se beneficiou de forma significativa da simbiose MA em condições de limitação de P. No entanto, foi possível verificar a influência da MA em vários aspectos fisiológicos e moleculares como atividade fotoquímica, metabolismo do N, padrão de expressão de transportadores de P e de genes relacionados com o metabolismo de N. O perfil de expressão de genes da família de transportadores PHT1 foi significativamente alterado pela simbiose, o que sugere diferentes vias de aquisição de P em plantas micorrizadas e não micorrizadas durante a deficiência em P Abstract: Nitrogen (N) and phosphorus (P) are nutrients that can limit plant performance. Currently, there is growing awareness of the importance of plant-microorganism interactions in nutrient acquisition and in promoting plant growth, especially under stress. Arbuscular mycorrhiza (AM) is one of the most ubiquitous symbioses between soil roots and fungi, with a recognized role in mineral nutrition and the attenuation of several plant stresses. The objective was to evaluate the effects of arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis on physiological and molecular aspects of nodulated soybean exposed to P deficiency, with special interest in nodulation capacity and transport and absorption of P. Two experiments were carried out in hydroponic system, using vermiculite as substrate, which soybean plants (Glycine max [L.] Merrill) was kept under low P levels (50 ?M) and nodulated with Bradyrhizobium elkanii were inoculated (+AM) or not (-AM) with the fungus AM Glomus macrocarpum. Non-inoculated plants maintained under conditions of sufficient P (500 ?M) constituted the treatment denominated - AM + P. Harvest were performed at the beginning of flowering and during filling of the seed. In the first experiment the results showed that AM positively influenced growth and nodulation in both studied stages when compared to the - AM plants. Although the symbiosis did not fully compensate for the demand of P when compared to the well-nourished soybean plant, symbiosis increased nitrogenase activity at flowering and presented less metabolic limitation of photosynthesis in conditions of P shortage than non-mycorrhizal ones. These responses could result from the contribution of mycorrhizae to P uptake, Nitrogen fixation (NF) stimulus and increased drain strength. In the second experiment, the results were different to the first one regarding the nodulation and growth benefit, which may have been due to unfavourable climatic factors or the decrease in the colonizing capacity of the fungus AM, since the levels of mycorrhizal colonization in this experiment were significantly lower than in the first experiment. Considering plant growth, nodulated soybean did not benefit significantly from the AM symbiosis under conditions of P limitation. However, it was possible to verify the influence of AM in several physiological and molecular aspects such as photochemical activity, N metabolism, expression of P transporters and genes related to N metabolism. The gene expression profile of the PHT1 transporters family was significantly altered by symbiosis, suggesting different pathways of Pi acquisition in mycorrhized and non-mycorrhized plants during P starvation Mestrado Biologia Vegetal Mestra em Biologia Vegetal CNPQ 130819/2015-8 FAPESP 2016/06396-1