Physiological responses of Amazonian flooded plants to the global climate change

Conforme previsões do último relatório do IPCC (Intergovernmental Panel of Climatic Change) em 2007, até meados deste século haverá um aumento na concentração de CO2 na atmosfera podendo chegar a 720 μmol mol-1. Consequentemente haverá uma elevação da temperatura de até +3 °C, o que ocorrerá em conjunto com mudanças no padrão de precipitação. O mesmo relatório sugere que isto poderá acarretar uma substituição gradual da floresta tropical por vegetação similar a uma savana na parte oriental da Amazônia, porém nada é conclusivo. Diante dessas possibilidades, pergunta-se - Como as espécies de árvores que compõem as regiões de alagamento da Amazônia irão responder às alterações climáticas por vir? Apesar dessas previsões serem pessimistas, o alagamento ainda ocorrerá por vários anos na Amazônia e é de grande importância compreender os efeitos do alagamento sobre as respostas fisiológicas das plantas num contexto das mudanças climáticas. Os principais efeitos sobre a sinalização metabólica e hormonal durante o alagamento são revisados e os possíveis efeitos que as mudanças climáticas poderão ter sobre as plantas amazônicas são discutidos. As informações existentes sugerem que sob alagamento, as plantas tendem a mobilizar reservas para suprir a demanda de carbono necessário para a manutenção do metabolismo sob o estresse da falta de oxigênio. Até certo limite, com o aumento da concentração de CO2, as plantas tendem a fazer mais fotossíntese e a produzir mais biomassa, que poderão aumentar ainda mais com um acréscimo de temperatura de até 3 °C. Alternativamente, com o alagamento, há uma diminuição geral do potencial de crescimento e é possível que quando em condições de CO2 e temperatura elevados os efeitos positivo e negativo se somem. Com isso, as respostas fisiológicas poderão ser amenizadas ou, ainda, promover maior crescimento para a maioria das espécies de regiões alagáveis até o meio do século. Porém, quando a temperatura e o CO2 atingirem valores acima dos ótimos para a maioria das plantas, estas possivelmente diminuirão a atividade fisiológica.According to the last report of IPCC (Intergovernmental Panel of Climatic Change, 2007) an increase in atmospheric CO2 concentration to ca. 0.072% is predicted to occur until the middle of this century. As a result, a tandem elevation of temperature of ca. +3 °C and a decrease in precipitation are to be expected. It has also been suggested that this scenario may lead to a gradual substitution of the tropical forest for savanna-like vegetation in Eastern parts of the Amazon. Within this perspective, a worth question is how the tree species that make up the Amazonian floodplains will respond to the global climatic change? Although predictions have been quite pessimistic, flooding of part of the Amazon will continue to occur for several years and it is important to understand its synergistic effects within the scenario of climate change. In this work, features related to plant metabolism and hormonal signaling during flooding is revised, and the possible effects that the climatic changes might have on plants from the Amazon are discussed. The information available in the literature suggests that under flooding, plants tend to mobilize storage compounds to supply carbon demand needed for maintenance metabolism under the effect of stress caused by the lack of oxygen. In contrast, under elevated CO2 concentration, plants tend to increase photosynthesis and biomass. With an increase of about 3 °C these parameters may increase even more. Alternatively, with flooding, there is a general decrease in growth potential and it is possible that while favorable conditions of elevated CO2 and temperature prevail, the positive effects may be counterbalanced by the negative effects of flooding. Thus, the physiological responses might be imperceptible or promote further growth up to the middle of the 21st Century for most species that occur in the floodplains. However, if temperature and CO2 levels surpass the threshold of optimal conditions for most plants, a decrease in physiological activity is to be expected

A germinação de sementes de Miconia theaezans (Bonpl.) Cogniaux (Melastomataceae) é controlada pelo fitocromo

O presente estudo teve como objetivo avaliar os efeitos da quantidade e da qualidade da luz correlacionados ao controle exercido pelo fitocromo sobre a germinação das sementes de Miconia theaezans (Bonpl.) Cogniaux (Melastomataceae). Para tanto, as sementes foram submetidas à fotoperíodos de 4, 6, 8, 10 e 12 horas de luz de sombreamento, um tipo especial de luz que simula as condições encontradas em ambientes naturais. Estes fotoperíodos foram associados a temperaturas alternadas entre 20-30 °C. As sementes não germinaram em fotoperíodos inferiores a 8 horas e a maior porcentagem de germinação foi observada no fotoperíodo de 12 horas. Além do efeito do fotoperíodo foi avaliado o fotoequilíbrio teórico do fitocromo que pode promover ou inibir a germinação da espécie. Estas sementes germinaram satisfatoriamente em todos os fotoequilíbrios testados não sendo observadas diferenças significativas entre eles. A sensibilidade à luz das sementes desta espécie foi avaliada por meio da curva de fluência-resposta e observou-se que as porcentagens e velocidades de germinação acompanham os aumentos da fluência da luz branca e os maiores valores de porcentagem de germinação foram obtidos nas fluências mais altas. O escuro inibiu totalmente a germinação das sementes desta espécie

Correlation of Apiose Levels and Growth Rates in Duckweeds

The carbon assimilated by photosynthesis in plants can be partitioned into starch, soluble sugars, and cell wall polymers. Higher levels of starch accumulation in leaves are usually correlated with a lower growth capacity. Duckweeds are fast-growing aquatic monocot plants that can accumulate high levels of starch. They are an unusual group because their cell wall has very low levels of lignin while accumulating apiogalacturonan, a pectic polysaccharide that could be involved with boron assimilation. In this work, five duckweed species from different genera (Spirodela polyrhiza, Landoltia punctata, Lemna gibba, Wolffiella caudata, and Wolffia borealis) were cultivated under two light intensities (20 and 500 μmoles of photons m−2 s−1) to evaluate the effects of growth rate on carbohydrate metabolism. A comparative analysis was performed by measuring their relative growth rates (RGR), and their content for starch, as well as soluble and cell wall carbohydrates. We found that the faster-growing species (the Lemnoideae) accumulate lower starch and higher soluble sugars than the slower-growing species within the Wolffioideae. Interestingly, analysis of the cell wall monosaccharides revealed that the slower-growing species displayed lower content of apiose in their walls. Our results indicate that higher accumulation of apiose observed in cell walls of the Lemnoideae species, which likely correlates with a higher proportion of apiogalacturonan, may lead to higher efficiency in the assimilation of boron. This is consistent with the increased RGR observed under conditions with higher apiose in the cell wall, such as higher light intensity. Consistent with their lower growth capacity, the Wolffioideae species we studied shows higher starch accumulation in comparison with the Lemnoideae species. We suggest that apiose levels could be good biomarkers for growth capacity of duckweeds and suggest that boron uptake could be an important factor for growth control in this aquatic plant family

AGRICULTURA FAMILIAR: DESAFIOS PARA A SUSTENTABILIDADE NOS MUNICÍPIOS DA COSTA OESTE PARANAENSE.

Foram identificados em relação às unidades de agricultura familiar de municípios da Região Costa Oeste do Paraná, com base em diagnósticos levantados pela ADEOP – Agência de Desenvolvimento do Extremo Oeste do Paraná, entre os anos de 2010 e 2012, as suas principais atividades produtivas, seus prováveis riscos ambientais e situação de dejetos, as condições de seus equipamentos e instalações e suas metas futuras; em relação aos municípios foram levantadas informações sobre as visões municipais relacionadas à agricultura familiar e seus canais de comercialização. A pesquisa caracteriza-se como exploratória e descritiva quanto à tipologia, dedutiva em relação ao método e com abordagem quali-quantitaiva. Conclui-se que, na região estudada, existem vários desafios para o desenvolvimento da agricultura familiar: na dimensão ecológica, por riscos ambientais apurados, nas dimensões econômica e social, pela prevalência de sistemas produtivos convencionais e falta de canais de comercialização, na dimensão cultural pela perda dos saberes locais e cultura regional

AGRICULTURA FAMILIAR: DESAFIOS PARA A SUSTENTABILIDADE NOS MUNICÍPIOS DA COSTA OESTE PARANAENSE.

Foram identificados em relação às unidades de agricultura familiar de municípios da Região Costa Oeste do Paraná, com base em diagnósticos levantados pela ADEOP – Agência de Desenvolvimento do Extremo Oeste do Paraná, entre os anos de 2010 e 2012, as suas principais atividades produtivas, seus prováveis riscos ambientais e situação de dejetos, as condições de seus equipamentos e instalações e suas metas futuras; em relação aos municípios foram levantadas informações sobre as visões municipais relacionadas à agricultura familiar e seus canais de comercialização. A pesquisa caracteriza-se como exploratória e descritiva quanto à tipologia, dedutiva em relação ao método e com abordagem quali-quantitaiva. Conclui-se que, na região estudada, existem vários desafios para o desenvolvimento da agricultura familiar: na dimensão ecológica, por riscos ambientais apurados, nas dimensões econômica e social, pela prevalência de sistemas produtivos convencionais e falta de canais de comercialização, na dimensão cultural pela perda dos saberes locais e cultura regional

Changes in leaf functional traits with leaf age: when do leaves decrease their photosynthetic capacity in Amazonian trees?

Most leaf functional trait studies in the Amazon basin do not consider ontogenetic variations (leaf age), which may influence ecosystem productivity throughout the year. When leaf age is taken into account, it is generally considered discontinuous, and leaves are classified into age categories based on qualitative observations. Here, we quantified age-dependent changes in leaf functional traits such as the maximum carboxylation rate of ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) (Vcmax), stomatal control (Cgs%), leaf dry mass per area and leaf macronutrient concentrations for nine naturally growing Amazon tropical trees with variable phenological strategies. Leaf ages were assessed by monthly censuses of branch-level leaf demography; we also performed leaf trait measurements accounting for leaf chronological age based on days elapsed since the first inclusion in the leaf demography, not predetermined age classes. At the tree community scale, a nonlinear relationship between Vcmax and leaf age existed: young, developing leaves showed the lowest mean photosynthetic capacity, increasing to a maximum at 45 days and then decreasing gradually with age in both continuous and categorical age group analyses. Maturation times among species and phenological habits differed substantially, from 8 ± 30 to 238 ± 30 days, and the rate of decline of Vcmax varied from −0.003 to −0.065 μmol CO2 m−2 s−1 day−1. Stomatal control increased significantly in young leaves but remained constant after peaking. Mass-based phosphorus and potassium concentrations displayed negative relationships with leaf age, whereas nitrogen did not vary temporally. Differences in life strategies, leaf nutrient concentrations and phenological types, not the leaf age effect alone, may thus be important factors for understanding observed photosynthesis seasonality in Amazonian forests. Furthermore, assigning leaf age categories in diverse tree communities may not be the recommended method for studying carbon uptake seasonality in the Amazon, since the relationship between Vcmax and leaf age could not be confirmed for all trees

Clinical profile of patients with ATP1A3 mutations in alternating hemiplegia of childhood-a study of 155 patients.

BACKGROUND: Mutations in the gene ATP1A3 have recently been identified to be prevalent in patients with alternating hemiplegia of childhood (AHC2). Based on a large series of patients with AHC, we set out to identify the spectrum of different mutations within the ATP1A3 gene and further establish any correlation with phenotype. METHODS: Clinical data from an international cohort of 155 AHC patients (84 females, 71 males; between 3 months and 52 years) were gathered using a specifically formulated questionnaire and analysed relative to the mutational ATP1A3 gene data for each patient. RESULTS: In total, 34 different ATP1A3 mutations were detected in 85 % (132/155) patients, seven of which were novel. In general, mutations were found to cluster into five different regions. The most frequent mutations included: p.Asp801Asn (43 %; 57/132), p.Glu815Lys (16 %; 22/132), and p.Gly947Arg (11 %; 15/132). Of these, p.Glu815Lys was associated with a severe phenotype, with more severe intellectual and motor disability. p.Asp801Asn appeared to confer a milder phenotypic expression, and p.Gly947Arg appeared to correlate with the most favourable prognosis, compared to the other two frequent mutations. Overall, the comparison of the clinical profiles suggested a gradient of severity between the three major mutations with differences in intellectual (p = 0.029) and motor (p = 0.039) disabilities being statistically significant. For patients with epilepsy, age at onset of seizures was earlier for patients with either p.Glu815Lys or p.Gly947Arg mutation, compared to those with p.Asp801Asn mutation (p < 0.001). With regards to the five mutation clusters, some clusters appeared to correlate with certain clinical phenotypes. No statistically significant clinical correlations were found between patients with and without ATP1A3 mutations. CONCLUSIONS: Our results, demonstrate a highly variable clinical phenotype in patients with AHC2 that correlates with certain mutations and possibly clusters within the ATP1A3 gene. Our description of the clinical profile of patients with the most frequent mutations and the clinical picture of those with less common mutations confirms the results from previous studies, and further expands the spectrum of genotype-phenotype correlations. Our results may be useful to confirm diagnosis and may influence decisions to ensure appropriate early medical intervention in patients with AHC. They provide a stronger basis for the constitution of more homogeneous groups to be included in clinical trials

Role of cell wall degradation enzymes during the aerenchyma formation in sugarcane roots

A resistência das paredes celulares vegetais à hidrólise enzimática é um dos grandes gargalos tecnológicos para a obtenção do etanol celulósico. Acredita-se que as modificações nas paredes celulares em processos como a mobilização de reservas, formação de aerênquima, amadurecimento de frutos e senescência, por exemplo, envolvam a ativação de módulos funcionais que culminam em alterações nas paredes celulares. Estes módulos são: 1) recepção de um sinal para início do processo; 2) Morte Celular Programada (PCD); 3) separação celular; 4) expansão celular; 5) hidrólise de hemiceluloses e 6) hidrólise de celulose. No caso da formação de aerênquimas lisígenos o processo que se inicia com a PCD e é seguido pela liberação de glicosil hidrolases que atuam a na degradação e/ou modificação da parede celular, formando espaços de ar no córtex radicular. A formação de aerênquima nas raízes de cana de açúcar é constitutiva e pouco se sabe sobre os mecanismos de modificação que ocorrem na parede celular durante este processo. Este estudo buscou compreender os padrões de variação expressão gênica, proteínas e de atividades enzimáticas associados à formação do aerênquima em raízes de cana de açúcar, com ênfase no papel das hidrolases de parede celular e em algumas proteínas relacionadas à PCD. Foram utilizados 5 segmentos de raízes de 1 cm cada, a partir do ápice radicular. No material coletado observou-se a formação gradual de aerênquima. Foram realizadas análises transcricional, proteômica e atividade enzimática das glicosil hidrolases e outras proteínas que atuam na modificação da parede celular, os quais foram identificados e quantificados ao longo da formação do aerênquima. As glicosil hidrolases pertencentes às famílias Cazy GH1, GH3, GH17, GH18 bem como expansinas, celulose sintase, lacase, calreticulina, calmodulina e proteínas relacionadas a degradação de pectinas, foram encontradas ao longo dos segmentos, principalmente após o segmento 2. De acordo com a atividade transcricional e dados da proteômica, sugere-se que os polissacarídeos seriam atacados por enzimas nos estágios iniciais da formação do aerênquima (seg 2 e 3). O ataque ocorre principalmente sobre as pectinas e o &beta;-glucano. Contudo, os dados apontam para a deposição de xiloglucano, xilanos e celulose (após seg 3), que formam um compósito ao redor dos espaços de ar. Isto sugere que parte dos polissacarídeos das paredes não sejam degradados ao longo do processo, embora enzimas específicas detectadas possam atuar na modificação dos mesmos, como verificado para algumas pectinases e membros de GH17. Além disso, nos pré-tratamentos com água foi possível observar que há maior sacarificação da parede nos seg. 1 e 2. Contudo quando retira-se a maior parte das pectinas e hemiceluloses após pré-tratamento com NaOH, a sacarificação é maior nos segmentos 2, 3 e 4, devido ao maior acesso e a maior quantidade de celulose. As glicosil hidrolases encontradas neste trabalho sugerem que estas atacam a parede de um específico conjunto de células do córtex que dá origem ao aerênquima. Já no fim do processo, quando há lise celular, algumas paredes de células remanescentes são recalcitrante à hidrólise, provavelmente devido a sua arquitetura e composição. Este trabalho traz informações para o desenvolvimento de futuras tecnologias para a produção do etanol do etanol celulósico de cana-de-açúcarThe resistance of plant cell walls to enzymatic hydrolysis is one of the main bottlenecks of the development of technology of production of cellulosic ethanol. It is believed that the modifications in cell walls related to processes of storage mobilization, aerenchyma formation, fruit ripening and senescence, for instance, involve the activation of functional moduli that culminate in alterations of cell walls. These moduli are: 1) signal perception to start the process; 2) Programmed Cell Death (PCD); 3) cell separation; 4) cell expansion; 5) hydrolysis of hemicelluloses and 6) hydrolysis of cellulose. In the case of the formation of lysigenous aerenchyma, the process starts with PCD and is followed by the release of glycosil hydrolases that act on the degradation and/or cell wall modifications, forming air spaces in the cortex of the root. The formation of aerenchyma in the roots of sugarcane is a constitutive phenomenon and little is known about the mechanisms of modification that occur in cell walls during its development. Thus, the present study focused on the visualization of the patterns of variation of gene expression, proteins and enzyme activities associated to the formation of aerenchyma in roots of sugarcane in order to understand the role of the cell wall hydrolases and some proteins related to PCD in cell wall modifications along the process. Five root segments of 1cm each, starting from root apex, were used. A gradual centripetal formation of aerenchyma was recorded in the cortex of developing roots. Analyses of the transcriptional, proteomic and enzyme activity profiles during the process revealed that several enzymes act on cell wall modifications. The glycosil hydrolases belonging to the Cazy families GH1. GH3, GH17, GH18, as well as expansins, cellulose synthase, laccase, calreticulin, calmodulin and other proteins related to pectin degradation have been found along the segments, mainly after segment 2. According to the data on transcriptomics and proteomics, it is suggested that enzymes attack polysaccharides during the initial stages of aerenchyma formation (seg. 2 and 3). The attack of the enzymes occurs mainly on pectins and &beta;-glucan. Conversely, the data point out to the deposition (or maintenance) of xyloglucan, xylan and cellulose (after seg. 3), which form a composite that surrounds the air spaces. This suggests that part of the polysaccharides present in cell walls are not degraded during the process, although specific enzymes have been detected that could act on polysaccharide mobilization, such as the GH17 family. Further, under pretreatment with water, it has been observed that cell wall saccharification was higher at segments 1 and 2. On the other hand, when most of the pectins and hemicelluloses are retrieved by pretreatment with NaOH, saccharification is higher of segments 2, 3 and 4, probably due to the higher access to the wall and also to the higher proportion of cellulose. The profiles related to the glycosil hydrolases found in this work, suggest that these enzymes attack the cell wall. Initially, they are probably kept within a group of cells that will originate the aerenchyma. At the end of the process, when there is cell lysis, the remaining walls of some cells are recalcitrant to hydrolysis probably due to changes in their architecture and composition. Our findings bring promising information that could be used in the future to improve efficiency of hydrolysis for cellulosic ethanol production from sugarcan

Growth and photosynthetic responses of Amazonian tree Senna reticulata under elevated CO2 concentration

Processos fisiológicos que modulam a aclimatação fotossintética e o crescimento de plantas ao aumento da concentração de CO2 atmosférico são desconhecidos para a maioria das espécies da região amazônica. Neste sentido, este estudo buscou compreender o comportamento fotossintético e a alocação de carbono em Senna reticulata. Esta espécie ocorre em regiões amazônicas que passam por períodos de seca e alagamento e como estratégia de estabelecimento possui crescimento rápido e alta capacidade fotossintética. O objetivo deste estudo foi comparar os parâmetros de trocas gasosas e de crescimento de plantas cultivadas em câmaras de topo aberto sob diferentes concentrações de CO2 (380ppm-ambiente e 760ppm-elevado). Foram realizadas 6 coletas a cada 15 dias, nas quais foram mensurados pontos relativos as curvas AxPAR e AxCi, calculando-se os parâmetros fotossintéticos de cada curva. Os parâmetros de crescimento foram medidos em coletas destrutivas (biomassa) e não destrutivas (área foliar, altura e nº de folhas). As plantas do tratamento elevado apresentaram maior assimilação fotossintética aos 30 e 45 dias de experimento. Após este período foi observada uma mudança no padrão de alocação (de folha para raízes) e as plantas do elevado apresentaram aclimatação na fotossíntese. A aclimatação foi caracterizada primeiramente por uma redução na velocidade de carboxilação da Rubisco, que foi concomitante com a redução na concentração de N e C foliar. A partir disso ocorreu aumento na senescência das folhas, redução na área foliar e redução na concentração de clorofilas. Somente aos 90 dias é que houve um aumento de 30% na biomassa total das plantas submetidas ao tratamento elevado, resultante do aumento de massa principalmente das raízes e folhas. A transpiração e a respiração das plantas do elevado tenderam a ser menores ao longo de todo o tempo, sendo esta diferença significativa apenas aos 75 dias. Apesar das folhas possuírem menor área foliar e número de folhas, foi observado pela análise de massa especifica das folhas que as plantas do tratamento elevado possuem maior massa em relação às do ambiente, possivelmente pelo maior acúmulo de amido. A eficiência no uso da água foi maior nas plantas do elevado aos 30, 75 e 90 dias. A partir desses dados é possível concluir que S. reticulata submetida ao dobro da concentração atual de CO2, desenvolve processos de aclimatação fotossintética sob longa exposição ao elevado CO2, porém consegue produzir mais biomassa.Physiological processes that modulate growth and photosynthetic acclimation of plants to increased atmospheric CO2 concentration are unknown for most species in the Amazon region. This study aimed to understand the photosynthesis and carbon allocation in Senna reticulata. This species occurs in the Amazonian regions that experience periods of drought and flooding and it has a fast growth and a high photosynthetic capacity as a strategy for its establishment. S. reticulata plants were grown in open top chambers under different concentrations of CO2 (380ppm Ambient - 760ppm Elevated) and their gas exchange and growth were compared. The harvests were performed at 15, 30, 45, 60, 75 and 90 days of experiment. At each date, AxPAR and AxCi curves were carried out to calculate the photosynthetic parameters. Growth parameters included biomass, leaf area, height and number of leaves. The plants of elevated CO2 presented higher photosynthetic assimilation at 30 and 45 days of experiment. After this period was observed a change in the carbon allocation (e.g. root to leaf) and the plants at elevated CO2 demonstrated a photosynthetic acclimation. This acclimation was characterized primarily by a reduction in velocity of carboxylation of Rubisco, which was concomitant with the reduction in N and C concentration in leaves. Also, the plants at elevated CO2 showed an increase in leaf senescence and a reduction in leaf area and chlorophyll concentration. After 90 days there was an increase (i.e. 30%) in total biomass of plants growing under elevated CO2, due to increase of roots and leaves biomass. The transpiration and respiration rates of plants at elevated CO2 tended to be lower throughout the experiment and the significant difference was found at 75 days. Although the leaves have less leaf area and leaf number, it was observed that specific leaf area from elevated CO2 treatment showed higher biomass when compared to ambient CO2. That difference possibly occurred due to greater starch accumulation. The water use efficiency was greater in plants from the elevated CO2 at 30, 75 and 90 days. From these data we conclude that S. reticulata grown at the elevated CO2 produces more biomass despite occurs the photosynthetic acclimation under long exposure to high CO2