Genetic variability and genetic progress in seed traits in breeding the physic nut

Determining the chemical composition of seeds of the physic nut (Jatropha curcas L.) is of great importance for the species due to the oil content of the seeds (the principal trait of interest). Identifying promising genotypes with selectable seed traits is one of the strategies adopted in breeding the physic nut in order to increase the yield and quality of the oil. Therefore, the aim of this study was to determine the chemical composition of seed traits in ten half-sibling progeny of the physic nut, and to identify which progeny have good genetic performance for transmission to the offspring. The experimental design was completely randomised, with ten treatments and four replications. The treatments were represented by seeds from half-sibling progeny in which the carbohydrate, protein and lipid content, and the composition of the fatty acids were evaluated. The genetic parameters and the gains from their selection were predicted for the principal seed traits using mixed-model analysis, including REML (restricted maximum likelihood) and BLUP (best linear unbiased prediction). The physic-nut seeds showed an average dry matter (DM) concentration of 60 mg g-1 carbohydrates, 42 mg g-1 protein and 142 mg g-1 total lipids. Unsaturated fatty acids represented more than 85% of the total fatty acid composition, with the oil classified as oleic-linoleic. Considering the predictions of the genetic parameters, the lipid traits can be selected for the purpose of breeding, resulting in genetic progress in the yield and quality of physic-nut oil

RESPOSTAS FISIOLÓGICAS E BIOQUÍMICAS DE CULTIVARES DE GIRASSOL SUBMETIDO À ADUBAÇÃO COM RESÍDUO ORGÂNICO

A adubação orgânica proporciona melhor aproveitamento do solo e menos impacto ambiental. Estudos relacionados com constituintes orgânicos ricos em potássio sobre cultivares de girassol se fazem necessários, pois o potássio é um nutriente que tem grande influência sobre a produção de aquênios. Dessa forma, a pesquisa teve como objetivo avaliar as características fisiológicas e bioquímicas de dois cultivares de girassol submetidos à adubação com resíduo orgânico de elevado teor potássico. O experimento empregado foi de blocos casualizados em esquema fatorial 2 x 4 + 2 sendo dois cultivares de girassol (BRS 122 e BRS 323), quatro doses do resíduo orgânico (0, 40, 80 e 120 Kg ha-1) mais o cloreto de potássio na dosagem de 60 Kg.ha -1. Os dados foram submetidos à análise de variância, com o teste de Tukey a 5 % de probabilidade para comparação de médias e análise de regressão. Realizou-se medições da temperatura foliar e das taxas de fotossíntese, transpiração, condutância estomática, concentração interna de CO2 e a relação entre a concentração interna e externa de CO2, também se determinou a concentração dos N-aminosolúveis, das proteínas e dos carboidratos solúveis. Os resultados evidenciaram que não houve diferença significativa quanto aos tratamentos (resíduo orgânico e o cloreto de potássio), ou seja, o resíduo orgânico não influenciou na fisiologia dos cultivares de girassol, pode ser utilizado como fonte de potássio nessa cultura.Palavras-chave: Helianthus annuus L.; potássio; trocas gasosas; solutos orgânicos. PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL RESPONSES OF SUNFLOWER CULTIVARS SUBMITTED THE FERTILIZATION WITH ORGANIC RESIDUE  ABSTRACT:The organic fertilizer has provided best soil use and less environmental impact, studies related to organic constituents rich in potassium on sunflower cultivars is necessary, because potassium is a nutrient that has great influence on the production of achenes. Thus, the research aimed to evaluate the physiological and biochemical characteristics of two sunflower cultivars submitted to fertilization with organic residue of high potassium content. The experiment was a randomized block in factorial scheme 2 x 4 + 2 with two sunflower cultivars (BRS 122 e BRS 323), four doses of organic residue (0, 40, 80 e 120 Kg ha-1) more potassium chloride at a dose of 60 kg. ha -1 for both cultivars. The data were submitted to analysis of variance with Tukey test at 5% probability to compare averages and regression analysis. Measurements was performed in the leaf temperature and of the photosynthetic rates, transpiration, stomatal conductance, internal CO2 concentration and internal and external ratio of carbon, also determined the concentration of N-aminosolúveis, protein and soluble carbohydrate. The results showed that there was no significant difference between treatments (organic residue and potassium chloride), that is, the organic residue does not influence the physiology of sunflower cultivars, can be used as a potassium source in this culture.Keywords: Helianthus annuus L.; potassium; gas exchange; organic solutes

Physiological responses of cowpea genotypes cultivated in rainfed on different phenological stages

Cowpea is one of the most consumed annual legumes in the world, but, despite its economic importance, the crop has low productivity in the Northeast of Brazil, being related to the genotypes used, climatic factors, and soil quality. In this context, this study aimed to evaluate the physiological parameters of nine genotypes in different phenological stages, cultivated under rainfed conditions. The experiment was carried out in the area of cowpea multiplication, belonging to the Federal University of Ceará (UFC), using a completely randomized design in a 9x2 factorial scheme, referring to nine genotypes and two stages of development (vegetative and reproductive) with ten repetitions, totaling 90 experimental plots. The evaluation of gas exchange (photosynthesis, stomatal conductance, transpiration, Ci/Ca ratio, and water use efficiency) were performed in the vegetative and reproductive phases (30 and 60 days after sowing), using the infrared gas analyzer (IRGA). It was verified that the variables of photosynthesis, stomatal conductance, and transpiration presented higher values in the vegetative stage concerning the reproductive stage, standing out of genotypes CE693, CE701, and CE735. For variables, Ci/Ca ratio, and water use efficiency, the genotypes with the lowest mean values were CE390 and CE570. The genotypes CE693, CE701, and CE735, presented better stability in the physiological parameters in the two phenological stages, and this may favor the production of cowpea

Astronomia agrícola em aspectos produtivos e fisiológicos do rabanete

O objetivo deste trabalho foi avaliar o desenvolvimento do rabanete em diferentes datas de semeadura estabelecidas de acordo com o Calendário Astronômico-Agrícola 2015. O experimento foi realizado na Horta Didática da Universidade Federal do Ceará, entre abril e junho de 2015. Utilizou-se o delineamento em blocos ao acaso, com quatro tratamentos (dias de raiz, folha, flor e fruto) e cinco repetições. Avaliaram-se área foliar, número de folhas, massas fresca e seca da parte aérea e das túberas, comprimento e diâmetro das túberas, percentual de tuberização, clorofila a e b, trocas gasosas e produção total. Foram observadas diferenças para número de folhas, área foliar, massa fresca e seca da parte aérea, clorofilas e trocas gasosas. O tratamento dia de folha e fruto foram os que proporcionaram maior concentração interna de CO2.  Para a taxa fotossintética líquida e eficiência de carboxilação o dia de raiz foi o que proporcionou plantas com os maiores valores. Para as características diâmetro, comprimento, massa fresca e seca das túberas, percentual de tuberização e produção total não foram observadas diferenças. Com base nos resultados, não se pode observar influência favorável desta distinção de dias de cultivo proposta pela agricultura biodinâmica na produção do rabanete

Physiological characterization and differential proteomic analysis of soybean genotypes subjected to water deficit

Entre os fatores abióticos que limitam a produtividade das plantas destaca-se a disponibilidade hídrica do solo. Compreender os mecanismos como plantas respondem ao estresse hídrico é crucial para prever os impactos das alterações climáticas sobre a produtividade das culturas e dos ecossistemas. O presente trabalho teve por objetivo identificar proteínas cuja alteração de sua expressão esteja associada à maior tolerância a seca em soja e que permita fornecer evidencias sobre mecanismos moleculares e fisiológicos envolvidos na resposta ao deficit hídrico em soja, caracterizando fisiologicamente os genótipos contrastantes. As plantas foram avaliadas em condições de plena irrigação (controle) e sob deficit hídrico imposto pela suspensão da irrigação até que as plantas atingissem um potencial hídrico na antemanhã (ψ am ) de -1,0 MPa (moderado) e -1,5MPa (severo). As plantas do cultivar BRS 16 (sensível à seca) alcançaram o ψ am com uma média de atraso de dois dias para ambos os níveis de deficit em relação ao cultivar Embrapa 48 (tolerante à seca). Estes resultados são consistentes com uma melhor economia hídrica no cultivar tolerante. As análises de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a mostraram que estes cultivares exibem mecanismos diferenciais em resposta às condições de deficit hídrico. Sob estresse moderado, a fotossíntese (A) foi maior no cultivar tolerante, embora não fosse detectada diferença em condutância estomática (gs) e na razão Ci/Ca entre os cultivares. A redução proporcional da transpiração (E) sob estresse hídrico progressivo sempre foi menor no cultivar tolerante, contribuindo para que o mesmo tenha tido sempre um maior nível de eficiência do uso da água. Na ausência de estresse e sob deficit hídrico moderado, houve um paralelismo entre a redução da A e a ETR, mostrando sempre o cultivar tolerante as maiores taxas. Quando sob condições de deficit hídrico, ambos os cultivares apresentaram um aumento na fração de luz absorvida que não é dissipada termicamente e nem utilizada na fase fotoquímica do FSII (P E ). Analisando a fração de luz absorvida que é dissipada termicamente (D), o cultivar tolerante Embrapa 48 apresentou menores valores de D, quando comparados ao cultivar sensível BRS 16, tanto em condições irrigadas, quanto sob deficit. Entretanto este aparente excesso de energia não foi traduzido em dano oxidativo, sugerindo que os mecanismos antioxidativos teriam uma maior atividade frente a maior geração de espécies reativas de oxigênio no cultivar sensível. As proteínas diferencialmente expressas de folhas de soja foram analisadas através de géis bidimensionais associados a identificação por espectrometria de massas (MALDI-TOF-TOF). Os dados da análise proteômica diferencial dos cultivares contrastantes revelam que existe uma modulação na expressão de proteínas com destaque para proteínas do metabolismo, como as de síntese de aminoácidos e fotossintéticas, as quais mostraram-se mais abundantes no cultivar tolerante tanto na condição irrigada como sob deficits, sendo que sob estresse severo houve uma redução na expressão de proteínas Fe-SOD relacionadas ao estresse oxidativo, o que confirma os dados de maior atividade enzimática desta enzima no cultivar sensível, nestas condições. O estudo do proteoma diferencial no cultivar tolerante apresentou somente duas proteínas com possíveis funções na sinalização da resposta ao estresse hídrico. Uma delas é a anexina 1, expressa em maiores níveis sob estresse moderado. A outra proteína de sinalização induzida no cultivar Embrapa 48 sob estresse hídrico é uma proteína da classe do fator transcricional MYB R2R3. Este trabalho ilustra o valor do uso combinado de estudos fisiológicos associados à análise do proteoma diferencial. Melhor encadeamento de evidencias é obtido, e uma seleção mais clara de mecanismos de tolerância potenciais pode ser realizada, apesar do limitado numero de proteínas de função conhecidas identificadas como diferencialmente expressas.Among the abiotic factors that limit plant productivity stands out the soil water availability. Understanding the mechanisms how plants respond to drought stress is crucial for predicting the impacts of climate change on crop productivity and ecosystem. This study aimed to identify proteins whose change in expression is associated with greater tolerance to drought in soybean and that can provide evidence about physiological and molecular mechanisms involved in the response to water deficit in soybean, characterizing physiologically contrasting genotypes. The plants were evaluated under full irrigation (control) and under water deficit imposed by suspending irrigation until the plants reached a water potential at predawn (ψ am ) of -1.0 MPa (moderate) and -1.5 MPa (severe ). Plants of the cultivar BRS 16 (sensitive to drought) ψ am reached with an average delay of two days for both levels of deficit in relation to cultivar Embrapa 48 (drought tolerant). These results are consistent with improved water economy in the tolerant cultivar. The analysis of gas exchange and chlorophyll fluorescence showed that these cultivars exhibit differential mechanisms in response to water deficits. Under moderate stress, photosynthesis (A) was higher in tolerant cultivar, though not detect any difference in stomatal conductance (g s ) and Ci/Ca between the cultivars. The proportional reduction in transpiration (E) under progressive water stress was always lower in the tolerant cultivar, contributing to it has always had a higher level of efficiency of water use. In the absence of stress and under moderate water deficit, there was a parallelism between the reduction of A and ETR, always showing the highest rates tolerant cultivar. When under water deficits, both cultivars showed an increase in the fraction of light absorbed that heat is not dissipated and not used in phase photochemistry of PSII (PE). Looking at the fraction of light absorbed that is dissipated thermally (D), the tolerant cultivar had lower values of D, when compared to the sensitive cultivar, both in irrigated conditions, and under deficit. However, this apparent excess energy has not been translated into oxidative damage, suggesting that the mechanisms would have a higher antioxidant activity against higher generation of reactive oxygen species in sensitive genotype. The proteins differentially expressed in soybean leaves were analyzed by two-dimensional gels associated with identification by mass spectrometry (MALDI-TOF-TOF). Data from the differential proteomic analysis of contrasting cultivars show that there is a modulation in the expression of proteins with emphasis on protein metabolism, such as amino acid synthesis and photosynthesis, which were more abundant in both the tolerant cultivar under irrigated condition as deficits, and under severe stress there was a reduction in the expression of Fe-SOD proteins related to oxidative stress, which confirms the data of higher enzyme activity of this enzyme in sensitive genotype under these conditions. The study of proteome differential tolerant cultivar showed only two proteins with potential roles in signaling in response to water stress. One is annexin 1, expressed at higher levels under moderate stress. The other signaling protein induced in Embrapa 48 under water stress protein is a class of R2R3 MYB transcription factor. This work illustrates the value of combined use of physiological studies related to analysis of proteome differential. Best chain of evidence is obtained, and a lighter selection of potential mechanisms of tolerance can be achieved despite the limited number of proteins of known function identified as differentially expressed.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação antig

Physiological and molecular determinants of differential response to drought in soybean

O objetivo geral deste trabalho foi caracterizar fisiologicamente e identificar proteínas diferencialmente expressas e fosforiladas em raízes de genótipos de soja contrastantes para tolerância à seca, sendo um tolerante (Embrapa 48) e um sensível (BR 16), de forma a melhor entender os mecanismos de resposta e identificar proteínas candidatas no desenvolvimento de estratégias para aumento da tolerância à seca. As plantas foram avaliadas em condições de plena irrigação (controle) e sob déficit hídrico imposto pela suspensão da irrigação até que as plantas atingissem os potenciais hídricos na antemanhã (Ψam) de -1,0 MPa (moderado) e -1,5 MPa (severo). As análises fisiológicas mostraram que esses cultivares exibem mecanismos diferenciais em resposta ao déficit hídrico. O cultivar Embrapa 48 retardou a desidratação em dois dias, mantendo A, ETR e ΦPSII maior mesmo sob déficit. Este resultado não foi relacionado a alterações na gs ou na composição isotópica do 13C, sugerindo a importância na condutividade hidráulica nesta tolerância, e a uma maior indução do crescimento radicular sob deficiência hídrica. Além disso, em folhas, apresentou menor dano oxidativo e a análise de perfil metabólico evidenciou um maior ajuste osmótico pelo acúmulo de açúcares e aminoácidos. Nas raízes, apresentou maior acúmulo de ácidos orgânicos, intermediários da glicólise e Ciclo de Krebs, além de aminoácidos. O cultivar tolerante também apresentou maiores níveis foliares e radiculares de ABA. Houve uma manutenção do crescimento radicular no tolerante e redução do crescimento relativo da parte aérea. A enxertia recíproca confirmou a importância da condutividade hidráulica no mecanismo de tolerância do genótipo tolerante, indicando o sistema radicular como um dos principais fatores que contribuem para a maior tolerância nesse cultivar. As proteínas diferencialmente expressas e fosfoproteínas foram analisadas através de 2D-SDS PAGE e detectadas com CCB (proteínas diferenciais) e Pro-Q DPS (proteínas fosforiladas) associadas a identificação por MS. A análise diferencial das proteínas de raízes revelou mecanismos de tolerância ao déficit hídrico relacionado aos mecanismos de respiração, metabolismo antioxidativo, metabolismo secundário e metabolismo de aminoácidos, entrando em conformidade com as diferenças encontradas no perfil metabólico. O fosfoproteoma apresentou uma correlação com o proteoma diferencial na ausência e na presença de déficit severo com muitas proteínas comuns às duas abordagens. A respiração foi o grupo cuja fosforilação foi fortemente afetada em resposta à seca, sendo representada por 12 proteínas. Adicionalmente, várias enzimas da respiração, síntese de aminoácidos e mecanismo antioxidativo, tiveram aumento em sua fosforilação sem apresentar alterações em sua abundancia, providenciando mais evidencias para a resposta diferencial da respiração na tolerância a seca em soja. A análise conjunta somente no genótipo tolerante permitiu observar que o aumento da fosforilação de uma proteína pode ser transiente com o estresse. Os resultados também sugerem um papel adicional do ABA na resposta ao estresse hídrico, induzindo cascatas cinases e aumentando a respiração para permitir a menor redução crescimento radicular em resposta a seca, o que poderia explicar o maior volume radicular observado no cultivar tolerante sob seca. A fosforilação participa nas características do proteoma com maiores níveis na abundancia e na fosforilação em muitas proteínas no tolerante. Estes resultados reforçam a visão de que a tolerância à seca é uma herança quantitativa, onde vários mecanismos estão envolvidos.The goal of this work was the physiological comparison and identification of proteins differentially expressed and phosphorylated in roots of soybean plants with contrasting tolerance to drought (Embrapa 48, tolerant, BR 16, sensitive) with the ultimate aim of improving our understanding of the mechanisms involved in water deficit responses and identifying candidate proteins for stress tolerance engineering. Plants were evaluated under irrigated conditions (control) and under water deficit imposed by the suspension of irrigation until plants reached pre-dawn water potentials (Ψam) of -1.0 MPa (moderate) or - 1.5 MPa (severe). Physiological analyses indicate that the two cultivars exhibit different responses to water deficit. The Embrapa 48 cultivar showed a two days delay in dehydration, maintaining greater values of A, ETR and ΦPSII even under water deficit. This result was not related to alterations in gs or in 13C isotope composition, suggesting that hydraulic conductivity and induction of root growth might be important factors for this tolerance. In addition, leaves of Embrapa 48 exhibited less oxidative damage and an adjustment in metabolite profile with a higher accumulation of sugars and amino acids. Metabolite profiling of roots indicated greater accumulation of organic acids, glycolytic and Krebs cycle intermediates as well as amino acids. The tolerant cultivar also presented increased levels of ABA in both leaves and roots. Induction of root growth occurred in the tolerant cultivar with a decrease in relative growth of the aerial parts of these plants. Reciprocal grafting experiments confirmed the importance of hydraulic conductance in the tolerance mechanism of Embrapa 48, indicating the root system as one of the major factors that contributes to the greater tolerance of this cultivar. Differentially expressed proteins and phosphoproteins were analysed using 2D-SDS-PAGE, detected using CCD (differentially expressed proteins) or Pro-Q DPS (phosphorylated proteins) and identified by mass spectrometry. Differential analysis of root proteins revealed a relationship between tolerance to drought and respiration, antioxidant metabolism, secondary metabolism and amino acid metabolism, in agreement with the metabolite profiling experiments. The phosphoproteomic analysis indicated a correlation with the differential proteomic approach in the absence and presence of severe water deficit with many proteins common to the two methods. Respiration was the group in which phosphorylation was strongly affected in response to lack of water, being represented by 12 proteins. Additionally, several enzymes of respiration, synthesis of amino acids and antioxidative mechanism, had increased in its phosphorylation without changes in their abundance, providing more evidence for differential response of respiration in drought tolerance without soybean. The combined analysis for the tolerant genotype indicated that the increase in phosphorylation of a protein can be transient with the stress. The results here suggest a new role for ABA in water deficit, inducing kinase cascades and inducing respiration in order to allow lower reductions in root system under drought. The phosphorylation participates in the characteristics of the proteome with higher levels in abundance and phosphorylation of many proteins in tolerant. Altogether, data reinforce the view that drought tolerance is a quantitative trait, where several mechanisms are involved.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic

Method optimization for proteomic analysis of soybean leaf: improvements in identification of new and low-abundance proteins

The most critical step in any proteomic study is protein extraction and sample preparation. Better solubilization increases the separation and resolution of gels, allowing identification of a higher number of proteins and more accurate quantitation of differences in gene expression. Despite the existence of published results for the optimization of proteomic analyses of soybean seeds, no comparable data are available for proteomic studies of soybean leaf tissue. In this work we have tested the effects of modification of a TCA-acetone method on the resolution of 2-DE gels of leaves and roots of soybean. Better focusing was obtained when both mercaptoethanol and dithiothreitol were used in the extraction buffer simultaneously. Increasing the number of washes of TCA precipitated protein with acetone, using a final wash with 80% ethanol and using sonication to ressuspend the pellet increased the number of detected proteins as well the resolution of the 2-DE gels. Using this approach we have constructed a soybean protein map. The major group of identified proteins corresponded to genes of unknown function. The second and third most abundant groups of proteins were composed of photosynthesis and metabolism related genes. The resulting protocol improved protein solubility and gel resolution allowing the identification of 122 soybean leaf proteins, 72 of which were not detected in other published soybean leaf 2-DE gel datasets, including a transcription factor and several signaling proteins

Method optimization for proteomic analysis of soybean leaf: improvements in identification of new and low-abundance proteins

The most critical step in any proteomic study is protein extraction and sample preparation. Better solubilization increases the separation and resolution of gels, allowing identification of a higher number of proteins and more accurate quantitation of differences in gene expression. Despite the existence of published results for the optimization of proteomic analyses of soybean seeds, no comparable data are available for proteomic studies of soybean leaf tissue. In this work we have tested the effects of modification of a TCA-acetone method on the resolution of 2-DE gels of leaves and roots of soybean. Better focusing was obtained when both mercaptoethanol and dithiothreitol were used in the extraction buffer simultaneously. Increasing the number of washes of TCA precipitated protein with acetone, using a final wash with 80% ethanol and using sonication to ressuspend the pellet increased the number of detected proteins as well the resolution of the 2-DE gels. Using this approach we have constructed a soybean protein map. The major group of identified proteins corresponded to genes of unknown function. The second and third most abundant groups of proteins were composed of photosynthesis and metabolism related genes. The resulting protocol improved protein solubility and gel resolution allowing the identification of 122 soybean leaf proteins, 72 of which were not detected in other published soybean leaf 2-DE gel datasets, including a transcription factor and several signaling proteins