Elevated CO2 increases photosynthesis, biomass andproductivity, andmodifiesgene expressionin sugarcane

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1 Elevated CO2 increases photosynthesis, biomass andproductivity, andmodifiesgene expressionin sugarcane CO2 elevado aumenta a fotossíntese, biomassa e produtividade, e modifica a expressão gênica em cana-de-açúcar Amanda Pereira de Souza, Marilia Gaspar, Emerson Alves da Silva, Eugenio Cesar Ulian, Alessandro Jaquiel Waclawovsky, Milton Yutaka Nishiyama Jr., Renato Vincentini dos Santos, Marcelo Menossi Teixeira, Glaucia Mendes Souza & Marcos Silveira Buckeridge Alan Besborodco Alan Magalhães Leonardo de Andrade Luis Felipe Quadrante Vítor Miranda

2 Introdução Cana de açúcar: Uma das principais C4 alimentícias (75% do açúcar mundial). Biocombustível. Brasil: 426 milhões de toneladas em 2006/2007.

3 Introdução Aquecimento global: [CO2] atmosférico cresceu 36% nos últimos 250 anos (de 280 ppm para 379 ppm em 2005). Pode chegar a ppm no fim do século.

4 Introdução Plantas C4: fotossíntese saturada em alta [CO2]? Estudos em gramíneas e trigo mostram aumento da biomassa e taxa fotossíntética em alta [CO2], enquanto outros estudos em sorgo e trigo não mostraram diferenças em plantas crescidas em boas condições, somente em estresse hídrico. Outros autores estudaram efeitos da alta [CO2] em folhas de cana e observaram alta na fotossíntese, biomassa, atividade enzimática, trocas gasosas e conteúdo proteico e de clorofila.

5 Objetivo Saber como a cana-de-açúcar responderá à alta [CO2] em relação à fotossíntese, desenvolvimento e expressão gênica durante 50 semanas de tratamento.

6 Materiais e métodos Pedaços de caule foram crescidos em Open Top Chambers (OTCs) em boas condições hídricas por 50 semanas. Duas câmaras foram mantidas com concentraçãoambientedeco2(370ppm)eduassobalta[co2](720ppm). Exemplos de Open Top Chambers. Tratamento com CO2 começou 13 dias após o plantio. Após 31 semanas as plantas foram transferidas para vasos maiores para evitar limitação de crescimento da raiz.

7 Materiais e métodos Foram feitas medições para: Taxa foliar de assimilação de CO2, condutância estomatale transpiração nas semanas 6, 10, 13, 18, 21, 26, 31 e 50. Altura das plantas Biomassa das folhas, caule e raiz nas semanas 13, 22, 26, 31 e 50.

8 Materiais e métodos Expressão gênica: Microarray para 3598 genes. Sugarcane Metabolism Database (SUCAMET) e Sugarcane Signal Transduction Database (SUCAST). Medições feitas nas semanas 13 (maior diferença de assimilação de CO2) e 22 (maior diferença de crescimento). Análise estatística dos dados.

9 Resultados e discussão Nas plantas crescidas em alta [CO2] houve: Aumento médio de 30% na taxa fotossintética, 17% em altura, 40% em biomassa e 19% no total de celulose depois da 22ª semana. Decréscimo de 35% na condutância estomatale 32% de transpiração com consequenteaumento de 62% na eficiência do uso de água. Aumento de 29% na quantidade de sacarose armazenada. Aumento da saturação de luz

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13 Resultados e discussão Expressão gênica -33 genes mostraram diferença na expressão: 9 genes na 13ª semana 25 genes na 22ª semana 1 coincidente (Glicose-6-fosfato desidrogenase)

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15 Resultados e discussão Expressão gênica -13ª semana: genes relacionados à fotossíntese e metabolismo de carboidratos. -22ª semana: genes relacionados à ciclo celular, desenvolvimento e metabolismos secundário, de ácidos nucleicos e de proteínas. Alguns genes relacionados a estresse foram regulados negativamente.

16 Resultados e discussão Expressão gênica: 13ª semana - Genes relacionados a cadeia transportadora de elétrons tiveram sua expressão aumentada sem aumento na expressão de genes relacionados à captura de CO2: aumento da saturação de luz; enzimas relacionadas à assimilação de CO2 pré-existentes nas células (Outros estudos demonstraram aumento da atividade da Rubisco e algumas enzimas relacionadas.). - Enzima XET: relacionada à expansão celular (aumento de 145% na área foliar).

17 Resultados e discussão Expressão gênica: 22ª semana Genes relacionados com parede celular e biossíntese de lignina (COMT) tiveram sua expressão alterada: maior expansão celular (aumento da área foliar), maior quantidade de celulose e mais flexibilidade para aumento da área foliar. Regulação negativa da invertase ácida da parede celular: maior exportação de sacarose da fonte para o dreno.

18 Resultados e discussão Resultados sugerem aumento da produtividade da cana-deaçúcar em caso de aumento da [CO2] atmosférico. Ressalvas: 1- Experimento não foi realizado em condições de campo. 2- As OTCs podem superestimar os efeitos da [CO2]. 3-Estresse hídrico pode interferir na resposta de crescimento e fotossíntese da planta em alta [CO2].

19 Resultados e discussão As descobertas na melhora da performance fisiológica da cana em alta [CO2] na captura de luz, aumento da área foliar (aumento da área das células) e maior armazenamento de sacarose abrem portas para novas pesquisas e tecnologias no aprimoramento da produção de biocombustíveis e consequente diminuição dos efeitos do aquecimento global.

20 Bibliografia Vu J.C.V., Allen L. H., Jr. & Gesch R.W. (2006) Up-regulation of photosynthesis and sucrose metabolism enzymes in young expanding leaves of sugarcane under elevated growth CO2. Plant Science 171, Kerbauy, G.B., Fisiologia Vegetal2ªEd. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, Taiz, L., Zeiger, L., Fisiologia Vegetal 4ªEd. Artmed. Porto Alegre, 2009.