Eficiência de utilização de zinco e sua relação com nitrogênio na biofortificação do trigo

Orientador: Prof. Dr. Milton Ferreira MoraesCoorientadores: Prof. Dr. Volnei Pauletti, Dr. Francisco Assis Franco, Dr. Pedro Luiz ScheerenTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 22/12/2017Inclui referênciasÁrea de concentração: Solo e ambienteResumo: A biofortificação, aumento dos teores de micronutrientes nos grãos de trigo, pode ser uma boa estratégia para o combate a deficiência de zinco (Zn) em humanos. Atualmente no Brasil, os esforços para o aumento do teor de Zn nos grãos têm sido voltados principalmente ao melhoramento genético convencional, todavia, estudos recentes têm mostrado que a prática da adubação com Zn, às particularidades fisiológicas e nutricionais dos genótipos, contribui para o aumento da concentração de Zn nos grãos. Para melhor entender atuação desses processos na qualidade nutricional dos grãos, o estudo objetivou conhecer os genótipos mais eficientes e responsivos ao Zn, a forma de aplicação de Zn de maior influência no aumento da concentração de Zn nos grãos, bem como, a relação da eficiência de utilização de Zn e o metabolismo de N. Para isso, foram realizados experimentos e divididos em três capítulos com os respectivos objetivos: Capitulo 1: identificar e selecionar genótipos de trigo com potencial para biofortificação com Zn; Capitulo 2: avaliar os efeitos das formas de aplicação de Zn na concentração de micronutrientes nos tecidos vegetais de genótipos de trigo com contrastantes potencial para biofortificação com Zn e Capitulo 3: avaliar os efeitos do fornecimento de N na absorção, translocação e acumulação de Zn em tecidos vegetais de genótipos de trigo com potencial contrastante para biofortificação de Zn no grão. Diversidade genética foi encontrada entre os genótipos de trigo para produtividade e concentração de nutrientes no grão, bem como responderam distintamente para aplicações de micronutrientes. A exploração de recursos genéticos tanto para produtividade quanto para a concentração de micronutrientes em partes comestíveis das culturas pode possibilitar a criação de materiais genéticos mais produtivos e naturalmente ricos em nutrientes. A eficiência agronômica de uso de Zn (?) pode ser usada para identificar genótipos de trigo com potencial de biofortificação. Os genótipos classificados como eficientes e responsivos (ER): CD 154, IPR 11, IPR 118 e BRS Parrudo podem ser considerados para futuros estudos de biofortificação. Para aplicação de Zn, a ordem de concentração de Zn no grão foi Zn-S+F ? Zn-F > Zn-S > Fe-F = controle, portanto sendo as aplicações Zn-S+F e Zn-F as melhores quando o objetivo é aumentar as concentrações de Zn no grão. A aplicação de Zn, também aumentou a concentração de N e Fe. A aplicação de N associado ao bom status de Zn na planta promoveu melhoras na absorção, translocação e acumulação do Zn dentro das plantas trigo. Permitindo concluir que os genótipos de trigo responderam positivamente a adubação de N e que administração do estado nutricional de N é uma rota promissora para biofortificação de micronutrientes em grãos de cereais. Contudo, é possível selecionar e melhorar genótipos para alta capacidade de concentrar Zn, N e Fe sem reduzir o niveis de produtividade, bem como utilizar manejos, tais como: adubação com Zn e N para potencializar o efeito da biofortificaçãodas das culturas comestiveis em geral, em especial os cereais. Palavras-chave: Saúde humana. Desnutrição. Melhoramento de plantas. Ferro. Triticum aestivum L.Abstract: Biofortification, increased micronutrient content in wheat grains, can be a good strategy to combat zinc deficiency (Zn) in humans. Currently in Brazil, efforts to increase Zn content in grains have been focused mainly on conventional genetic improvement, however, recent studies have shown that the practice of Zn fertilization, physiological and nutritional peculiarities of the genotypes, contributes to the increase of the grain Zn concentration. In order to better understand the performance of these processes in the nutritional quality of the grains, the study aimed to know the most efficient and responsive Zn genotypes, Zn application form to increase grain Zn concentration, as well as the efficiency ratio of Zn utilization and the metabolism of N. For this, experiments were carried out and divided into three chapters with the respective objectives: Chapter 1: identify and select genotypes of wheat with potential for biofortification with Zn; Chapter 2: evaluating the effects of Zn application forms on the concentration of micronutrients in plant tissues of wheat genotypes with potential contrast for Zn biofortification and Chapter 3: evaluating the effects of N supply on Zn uptake, translocation and accumulation in plant tissues of wheat genotypes with contrasting potential for biofortification of Zn in the grain. Genetic diversity was found among wheat genotypes for yield and nutrient concentration in the grain, as well as distinctly responding to micronutrient applications. Exploitation of genetic resources for both productivity and the concentration of micronutrients in edible parts of crops can enable the creation of more productive and naturally rich nutrient-rich genetic materials. The agronomic efficiency of Zn (?) can be used to identify wheat genotypes with biofortification potential. The genotypes classified as efficient and responsive (ER): CD 154, IPR 11, IPR 118 and BRS Parrudo can be considered for future biofortification studies. For Zn application, the order of grain Zn concentration was Zn-S + F ? Zn-F> Zn-S> Fe-F = control, therefore the Zn-S + F and Zn-F applications are best when the objective is to increase the grain Zn concentrations. Zn application also increased the grain N e Fe concentration. Application of N associated with good Zn status in the plant promoted improvements in Zn uptake, translocation and accumulation within wheat plants. It is possible to conclude that wheat genotypes were positively responsible for N fertilization and that N nutritional status administration is a promising route for the biofortification of micronutrients in cereal grains. However, it is possible to select and improve genotypes for high capacity to concentrate Zn, N and Fe without reducing yield levels, as well as to use managements such as fertilization with Zn and N to potentiate the biofortification effect of edible crops in general, in particular of cereals. Keywords: Human health. Malnutrition. Plant breeding. Iron. Triticum aestivum L

Estratégias de adubação com zinco para biofortificação agronômica do trigo

Resumo:Em razão de ser componente básico da dieta da população, o trigo apresenta grande potencial para biofortificação - que visa obter cultivares com grãos mais nutritivos, através de programas de melhoramento genético convencional e/ou práticas agronômicas. O enriquecimento de grãos de cereais em micronutrientes por meio da biofortificação ajudará a reduzir os crescentes problemas nutricionais na população. A aplicação de fertilizantes com zinco (Zn) tem apresentado resultados promissores quanto ao aumento da sua concentração em grãos de trigo, principalmente em solos que apresentam baixos teores disponíveis. Entretanto, há poucos estudos realizados em solos brasileiros de fertilidade construída, com teores de Zn adequados ou elevados. Desta forma, o objetivo do trabalho foi avaliar formas de aplicação de Zn em trigo, visando à melhoria da qualidade nutricional dos grãos e sua influência em componentes agronômicos da cultura. Foram realizados quatro experimento a campo, nos anos de 2012 e 2013, em Palotina e Cascavel, Paraná, Brasil. Ambos ambientes apresentavam a mesma classe de solo: LATOSSOLO VERMELHO Eutroférrico, textura muito argilosa, todavia, com características edáficas e climáticas contrastantes. Cada experimento foi constituído de quatro tratamentos: (i) sem aplicação de Zn (controle); (ii) aplicação de Zn no solo (Zn-S); (iii) aplicação de Zn na folha (Zn-F) e (iv) aplicação de Zn no solo e na folha (Zn-S+F). O delineamento experimental foi em blocos casualizados, com 4 repetições. A aplicação de Zn no solo foi realizado no plantio, com fornecimento de 250 kg ha-1 do formulado 8-30-20, que apresentava 4% de Zn (10 kg ha-1 de Zn). Para aplicação de Zn foliar, foi utilizada uma solução com 2% de sulfato de zinco (ZnSO4.5H2O), em taxa de aplicação de 200 L ha-1 (equivalente a 910 g ha-1 de Zn) e realizada no início do enchimento dos grãos. Foram cultivados dois genótipos de trigo: CD 150 e BRS Guamirim, sendo o primeiro escolhido por ser o cultivar comercial mais plantado no Paraná e o segundo por apresentar potencial para biofortificação (maiores teores de Zn nos grãos). Aplicação de Zn no solo aumentou a concentração de Zn nas folhas diagnóstico e nos grãos. A produtividade apresentou correlação negativa com a concentração de Zn nos grãos, sendo mais influenciada pelas características dos ambientes de produção. A aplicação de Zn no solo conciliado com a aplicação foliar (Zn-S+F) foi o método mais efetivo para aumentar o teor de Zn nos grãos. O cultivar BRS Guamirim apresentou maior número de afilhos, concentração de Zn, Fe e proteínas nos grãos, porém menor produtividade. A concentração de Zn apresentou correlação negativa com a produtividade e correlação positiva com número de afilhos, concentrações de Fe e proteína nos grãos. A seleção de um cultivar com potencial para biofortificação e que apresenta bom potencial produtivo, quando associada estratégias de aplicação de Zn, se mostrou a melhor opção para biofortificação agronômica do trigo. Palavras chave: Saúde humana, desnutrição, qualidade de alimentos, micronutrientes, Triticum aestivum

Eficiência de utilização de zinco e sua relação com nitrogênio na biofortificação do trigo

Orientador: Prof. Dr. Milton Ferreira MoraesCoorientadores: Prof. Dr. Volnei Pauletti, Dr. Francisco Assis Franco, Dr. Pedro Luiz ScheerenTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 22/12/2017Inclui referênciasÁrea de concentração: Solo e ambienteResumo: A biofortificação, aumento dos teores de micronutrientes nos grãos de trigo, pode ser uma boa estratégia para o combate a deficiência de zinco (Zn) em humanos. Atualmente no Brasil, os esforços para o aumento do teor de Zn nos grãos têm sido voltados principalmente ao melhoramento genético convencional, todavia, estudos recentes têm mostrado que a prática da adubação com Zn, às particularidades fisiológicas e nutricionais dos genótipos, contribui para o aumento da concentração de Zn nos grãos. Para melhor entender atuação desses processos na qualidade nutricional dos grãos, o estudo objetivou conhecer os genótipos mais eficientes e responsivos ao Zn, a forma de aplicação de Zn de maior influência no aumento da concentração de Zn nos grãos, bem como, a relação da eficiência de utilização de Zn e o metabolismo de N. Para isso, foram realizados experimentos e divididos em três capítulos com os respectivos objetivos: Capitulo 1: identificar e selecionar genótipos de trigo com potencial para biofortificação com Zn; Capitulo 2: avaliar os efeitos das formas de aplicação de Zn na concentração de micronutrientes nos tecidos vegetais de genótipos de trigo com contrastantes potencial para biofortificação com Zn e Capitulo 3: avaliar os efeitos do fornecimento de N na absorção, translocação e acumulação de Zn em tecidos vegetais de genótipos de trigo com potencial contrastante para biofortificação de Zn no grão. Diversidade genética foi encontrada entre os genótipos de trigo para produtividade e concentração de nutrientes no grão, bem como responderam distintamente para aplicações de micronutrientes. A exploração de recursos genéticos tanto para produtividade quanto para a concentração de micronutrientes em partes comestíveis das culturas pode possibilitar a criação de materiais genéticos mais produtivos e naturalmente ricos em nutrientes. A eficiência agronômica de uso de Zn (?) pode ser usada para identificar genótipos de trigo com potencial de biofortificação. Os genótipos classificados como eficientes e responsivos (ER): CD 154, IPR 11, IPR 118 e BRS Parrudo podem ser considerados para futuros estudos de biofortificação. Para aplicação de Zn, a ordem de concentração de Zn no grão foi Zn-S+F ? Zn-F > Zn-S > Fe-F = controle, portanto sendo as aplicações Zn-S+F e Zn-F as melhores quando o objetivo é aumentar as concentrações de Zn no grão. A aplicação de Zn, também aumentou a concentração de N e Fe. A aplicação de N associado ao bom status de Zn na planta promoveu melhoras na absorção, translocação e acumulação do Zn dentro das plantas trigo. Permitindo concluir que os genótipos de trigo responderam positivamente a adubação de N e que administração do estado nutricional de N é uma rota promissora para biofortificação de micronutrientes em grãos de cereais. Contudo, é possível selecionar e melhorar genótipos para alta capacidade de concentrar Zn, N e Fe sem reduzir o niveis de produtividade, bem como utilizar manejos, tais como: adubação com Zn e N para potencializar o efeito da biofortificaçãodas das culturas comestiveis em geral, em especial os cereais. Palavras-chave: Saúde humana. Desnutrição. Melhoramento de plantas. Ferro. Triticum aestivum L.Abstract: Biofortification, increased micronutrient content in wheat grains, can be a good strategy to combat zinc deficiency (Zn) in humans. Currently in Brazil, efforts to increase Zn content in grains have been focused mainly on conventional genetic improvement, however, recent studies have shown that the practice of Zn fertilization, physiological and nutritional peculiarities of the genotypes, contributes to the increase of the grain Zn concentration. In order to better understand the performance of these processes in the nutritional quality of the grains, the study aimed to know the most efficient and responsive Zn genotypes, Zn application form to increase grain Zn concentration, as well as the efficiency ratio of Zn utilization and the metabolism of N. For this, experiments were carried out and divided into three chapters with the respective objectives: Chapter 1: identify and select genotypes of wheat with potential for biofortification with Zn; Chapter 2: evaluating the effects of Zn application forms on the concentration of micronutrients in plant tissues of wheat genotypes with potential contrast for Zn biofortification and Chapter 3: evaluating the effects of N supply on Zn uptake, translocation and accumulation in plant tissues of wheat genotypes with contrasting potential for biofortification of Zn in the grain. Genetic diversity was found among wheat genotypes for yield and nutrient concentration in the grain, as well as distinctly responding to micronutrient applications. Exploitation of genetic resources for both productivity and the concentration of micronutrients in edible parts of crops can enable the creation of more productive and naturally rich nutrient-rich genetic materials. The agronomic efficiency of Zn (?) can be used to identify wheat genotypes with biofortification potential. The genotypes classified as efficient and responsive (ER): CD 154, IPR 11, IPR 118 and BRS Parrudo can be considered for future biofortification studies. For Zn application, the order of grain Zn concentration was Zn-S + F ? Zn-F> Zn-S> Fe-F = control, therefore the Zn-S + F and Zn-F applications are best when the objective is to increase the grain Zn concentrations. Zn application also increased the grain N e Fe concentration. Application of N associated with good Zn status in the plant promoted improvements in Zn uptake, translocation and accumulation within wheat plants. It is possible to conclude that wheat genotypes were positively responsible for N fertilization and that N nutritional status administration is a promising route for the biofortification of micronutrients in cereal grains. However, it is possible to select and improve genotypes for high capacity to concentrate Zn, N and Fe without reducing yield levels, as well as to use managements such as fertilization with Zn and N to potentiate the biofortification effect of edible crops in general, in particular of cereals. Keywords: Human health. Malnutrition. Plant breeding. Iron. Triticum aestivum L

Estratégias de adubação com zinco para biofortificação agronômica do trigo

Resumo:Em razão de ser componente básico da dieta da população, o trigo apresenta grande potencial para biofortificação - que visa obter cultivares com grãos mais nutritivos, através de programas de melhoramento genético convencional e/ou práticas agronômicas. O enriquecimento de grãos de cereais em micronutrientes por meio da biofortificação ajudará a reduzir os crescentes problemas nutricionais na população. A aplicação de fertilizantes com zinco (Zn) tem apresentado resultados promissores quanto ao aumento da sua concentração em grãos de trigo, principalmente em solos que apresentam baixos teores disponíveis. Entretanto, há poucos estudos realizados em solos brasileiros de fertilidade construída, com teores de Zn adequados ou elevados. Desta forma, o objetivo do trabalho foi avaliar formas de aplicação de Zn em trigo, visando à melhoria da qualidade nutricional dos grãos e sua influência em componentes agronômicos da cultura. Foram realizados quatro experimento a campo, nos anos de 2012 e 2013, em Palotina e Cascavel, Paraná, Brasil. Ambos ambientes apresentavam a mesma classe de solo: LATOSSOLO VERMELHO Eutroférrico, textura muito argilosa, todavia, com características edáficas e climáticas contrastantes. Cada experimento foi constituído de quatro tratamentos: (i) sem aplicação de Zn (controle); (ii) aplicação de Zn no solo (Zn-S); (iii) aplicação de Zn na folha (Zn-F) e (iv) aplicação de Zn no solo e na folha (Zn-S+F). O delineamento experimental foi em blocos casualizados, com 4 repetições. A aplicação de Zn no solo foi realizado no plantio, com fornecimento de 250 kg ha-1 do formulado 8-30-20, que apresentava 4% de Zn (10 kg ha-1 de Zn). Para aplicação de Zn foliar, foi utilizada uma solução com 2% de sulfato de zinco (ZnSO4.5H2O), em taxa de aplicação de 200 L ha-1 (equivalente a 910 g ha-1 de Zn) e realizada no início do enchimento dos grãos. Foram cultivados dois genótipos de trigo: CD 150 e BRS Guamirim, sendo o primeiro escolhido por ser o cultivar comercial mais plantado no Paraná e o segundo por apresentar potencial para biofortificação (maiores teores de Zn nos grãos). Aplicação de Zn no solo aumentou a concentração de Zn nas folhas diagnóstico e nos grãos. A produtividade apresentou correlação negativa com a concentração de Zn nos grãos, sendo mais influenciada pelas características dos ambientes de produção. A aplicação de Zn no solo conciliado com a aplicação foliar (Zn-S+F) foi o método mais efetivo para aumentar o teor de Zn nos grãos. O cultivar BRS Guamirim apresentou maior número de afilhos, concentração de Zn, Fe e proteínas nos grãos, porém menor produtividade. A concentração de Zn apresentou correlação negativa com a produtividade e correlação positiva com número de afilhos, concentrações de Fe e proteína nos grãos. A seleção de um cultivar com potencial para biofortificação e que apresenta bom potencial produtivo, quando associada estratégias de aplicação de Zn, se mostrou a melhor opção para biofortificação agronômica do trigo. Palavras chave: Saúde humana, desnutrição, qualidade de alimentos, micronutrientes, Triticum aestivum

Effects of Zn (Low: 0.15 μM or High: 2.25 μM) and N (Low: 0.4 mM or High: 4.0 mM) supply on the Zn concentration (designated Root [Zn], Straw [Zn], Grain [Zn] and Total [Zn]), Zn content (designated Root ZnC, Straw ZnC, Grain ZnC and Total ZnC) and grain Zn harvest index (GZnHI) of two contrasting winter wheat genotypes (Quartzo and BRS Parrudo) grown under glasshouse conditions.

<p>Effects of Zn (Low: 0.15 μM or High: 2.25 μM) and N (Low: 0.4 mM or High: 4.0 mM) supply on the Zn concentration (designated Root [Zn], Straw [Zn], Grain [Zn] and Total [Zn]), Zn content (designated Root ZnC, Straw ZnC, Grain ZnC and Total ZnC) and grain Zn harvest index (GZnHI) of two contrasting winter wheat genotypes (Quartzo and BRS Parrudo) grown under glasshouse conditions.</p

Classification of 22 winter wheat genotypes based on the relationship between grain Zn content (_Low-Zn = no Zn added in the soil) and the α value for grain Zn content calculated between applications of 0 and 5 mg Zn dm^-3 [35].

<p>The solid lines represent the mean value for the axis. NER = non-efficient and responsive genotypes, ER = efficient and responsive genotypes, NENR = non-efficient and non-responsive genotypes and ENR = efficient and non-responsive genotypes. Values represent the mean of four independent replicates.</p

Percentage contribution from analysis of variance (ANOVA) for the effects of genotype (G), Zn supply (Zn), N supply (N) and their respective interactions on the dry weight (designated Root DW, Straw DW, Grain yield and Total DW), Zn concentration (designated Root [Zn], Straw [Zn], Grain [Zn] and Total [Zn]), Zn content (designated Root ZnC, Straw ZnC, Grain ZnC and Total ZnC), Grain and Grain Zn harvest index (designated GHI and GZnHI) and Straw:root ratio of winter wheat grown under glasshouse conditions.

<p>Percentage contribution from analysis of variance (ANOVA) for the effects of genotype (G), Zn supply (Zn), N supply (N) and their respective interactions on the dry weight (designated Root DW, Straw DW, Grain yield and Total DW), Zn concentration (designated Root [Zn], Straw [Zn], Grain [Zn] and Total [Zn]), Zn content (designated Root ZnC, Straw ZnC, Grain ZnC and Total ZnC), Grain and Grain Zn harvest index (designated GHI and GZnHI) and Straw:root ratio of winter wheat grown under glasshouse conditions.</p

Relationships between grain yield and grain Zn concentration (a, c) and grain yield and grain Zn content (b, d) of two winter wheat genotypes (Quartzo and BRS Parrudo) grown with a low Zn (a, c; 0.15 μM) or high Zn (b, d; 2.25 μM) supply and either a low N (0.4 mM) or high N (4.0 mM) supply.

<p>ns, * and ** indicate non-significant, significant at (0.01 < <i>P</i> ≤ 0.05) and (<i>P</i> ≤ 0.01), respectively.</p

Grain zinc concentrations differ among Brazilian wheat genotypes and respond to zinc and nitrogen supply

<div><p>The combined application of nitrogen (N) and zinc (Zn) fertilizers is a promising agronomic strategy for the biofortification of wheat grain with Zn for human nutrition. A glasshouse experiment was carried out to assess the effects of supplying N on the uptake, translocation and accumulation of Zn in tissues of two wheat genotypes (Quartzo and BRS Parrudo) with contrasting potential for grain Zn biofortification. Winter wheat genotypes were grown to maturity in 5 cm diameter, 100 cm length tubes filled with a mixture of sand, grit and gravel (40:40:20 v/v/v) over a layer of 0.1 m³ of gravel, and supplied a full nutrient solution with low Zn (0.15 μM) or high Zn (2.25 μM) and low N (0.4 mM) or high N (4.0 mM) concentrations. High N supply increased biomass production, Zn concentration and Zn content of straw and grain in both Quartzo and BRS Parrudo. Grain Zn content more than doubled when the supplies of Zn and N were both increased from low to high in both genotypes. Quartzo had a greater grain yield than BRS Parrudo. BRS Parrudo had greater grain Zn concentration and Zn content than Quartzo. A greater N supply promoted better uptake, translocation to the shoot and accumulation of Zn within the grain. Quartzo and BRS Parrudo differed in their partitioning of biomass and Zn between tissues. It might be possible to combine the greater grain yield of Quartzo with the greater grain Zn accumulation of BRS Parrudo to deliver a greatly improved genotype for human food security.</p></div