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https://repositorio.inpa.gov.br/handle/1/38348| Título: | Morphophysiological, biochemical and molecular traits and biotechnological applications of different genotypes of Hevea spp. |
| Título(s) alternativo(s): | Características morfofisiológicas, bioquímicas e moleculares e aplicações biotecnológicas de diferentes genótipos de Hevea spp. |
| Autor: | Carvalho, Josiane Celerino de |
| Orientador: | Gonçalves, José Francisco de Carvalho |
| Coorientador: | Costa, José Hélio Araujo, Wagner Luiz |
| Palavras-chave: | Sementes Germinação Seringueira Expressão de genes |
| Data do documento: | 20-Dez-2021 |
| Programa: | Ciências de Florestas Tropicais - CFT |
| Abstract: | The studies with species of the Hevea genus have focused primarily on the regulation of latex regeneration and yield, abiotic and biotic stresses, mainly aimed at the propagation of more productive clones, resistant and/or tolerant to foliar fungal diseases for the implementation of programs of improvement. When it comes to the synthesis of natural rubber, studies usually use adult individuals. Thus, research involving seeds/seedlings, as they are the basis for the production of rootstocks for clone production, from a morphophysiological approach to germination, dynamics in the use of primary reserves, gene expression pattern associated with latex biosynthesis from different wild and cultivated genotypes during germination and postgermination can help in the creation of morphophysiological, biochemical and molecular markers for early selection of elite genotypes. However, studies with complete seeds or parts of them (embryos or axillary buds) are also important, since, maintaining the use of clones to improve production, together with research on the functional characterization of the propagated material can contribute to verifying the complete formation of in vitro plants aiming at the selection of more balanced individuals in terms of rusticity and production. Therefore, in this research we investigated the morphophysiological, biochemical and molecular changes during germination and post-germination of different genotypes (Hevea brasiliensis, Hevea guianensis, Hevea spruceana, RRIM 600, Fx 3844 and IAN 873), as well as biotechnological applications and the establishment of some species in vitro, with emphasis on latex biosynthesis, aiming to infer about the most suitable genotype for natural rubber synthesis. With regard to morphophysiological aspects related to germination and postgermination of different genotypes, morphological differences of seeds/embryos were observed, distinct strategies in the process of imbibition, emergence and initial seedling growth. The species H. guianensis and H. spruceana showed the greatest divergence in size, shape and color of seeds/embryos and initial seedling growth. The patterns observed in the seed coat, such a color and shape, as well as the processes of imbibition, growth and development of seedlings can serve as morphophysiological markers for identification and selection of genotypes. This is the first morphophysiological study of seeds and seedlings of wild and cultivated genotypes of species of the genus Hevea. As for the biochemical aspects, analyzing the levels of lipids, proteins, carbohydrates and mineral nutrients in the seeds and their mobilization during germination and post-germination, we observed among the six genotypes distinct strategies for mobilization of reserves, as well as in enzymatic activities. The wild genotypes had the highest metabolic activities and the greatest dynamics when compared to the cultivated genotypes. The highest positive correlations were in the wild genotypes, H. spruceana and in the Fx 3844 cultivated. In general, the seeds presented lipids as majores reserves, followed by protein and carbohydrate reserves, except for H. spruceana, which presented the highest carbohydrate reserve, followed by proteins and lipids. The pattern of mobilization of reserves can help as biochemical markers in the selection of genotypes. As for the molecular aspects, analyzing the relative expression of genes by RT-qPCR, we observed, among the six genotypes, distinct patterns of gene expression for the REF1, REF3, REF7 and SRPP1 genes throughout germination and post-germination. Of the four genes studied, three showed potentials for the creation of molecular markers during germination, the REF1 gene for selection of genetic diversity among genotypes, the REF3 gene for selection of more homogeneous genotypes and the SRPP1 gene for selecting the most productive genotypes. Our study is the first to report how these genes are expressed during germination and especially the differences between wild and cultivated genotypes. The observed patterns are beneficial for an understanding of the main genes that are directly involved in rubber biosynthesis, and for the creation of molecular markers for early selection of elite genotypes. From the morphophysiological, biochemical and molecular aspects we investigated the biotechnological applications of Hevea by-products, seed oils and C.serum from latex and we selected two wild genotypes and investigated the establishment of these species H. brasiliensis and H. spruceana from axillary buds in vitro. The plant extracts (seed oil and latex C-serum) of the genotypes of Hevea spp. were promising for fungal inhibition against: Fusarium oxysporum, Aspergillus flavus and Alternaria alternata, confirming the great antifungal potential. However, the genotypes showed distinct antifungal potentials for both oils and latex C-serum. This was the first study to test the antifungal potential of oils and latex C-serum from different genotypes of Hevea spp. against phytopathogenic fungi. The cultivation of axillary buds in the different treatments, in Murashige and Skoog's (MS) pure medium and supplemented with 6-benzylaminopurine-BAP (5 μM) plant regulators, interaction of indole-3-acetic acid-IAA (3 μM) and BAP (5 μM) and naphthalene acetic acid- NAA (0.006 μM) and BAP (0.4 μM) were effective for emergence of shoots for the species H. brasiliensis and H. spruceana, different behaviors and strategies were observed in relation to emergence and development of shoots. The species H. spruceana performed better than H. brasiliensis. Therefore, our results demonstrate that the proper manipulation of the components of the culture medium, plant regulators and genotype can directly influence the establishment of explants in vitro. This was the first study with another species of the genus Hevea, H. spruceana, which showed great potential for large-scale production. These studies with genotypes showed morphophysiological differences in seeds and seedlings, strategies for using primary reserves, patterns of gene expression during germination and initial seedling growth, as well as in vitro establishment. These morphophysiological, biochemical, molecular and propagative aspects are relevant studies both to understand the primary metabolism and the latex biosynthesis process throughout germination and initial seedling growth, as well as assisting in the early selection of more productive genotypes, since the seeds are the basis for production of rootstocks used today worldwide for the production of seedlings in rubber tree plantations. |
| Resumo: | Os estudos com espécies do gênero Hevea têm se concentrado fundamentalmente na regulação da regeneração e rendimento do látex, estresses abióticos e bióticos, principalmente voltados para a propagação de clones mais produtivos, resistentes e/ou tolerantes a doenças fúngicas foliares para a implementação de Programas de Melhoramento. Em se tratando da síntese de borracha natural, normalmente os estudos utilizam indivíduos adultos. Assim, pesquisas envolvendo sementes/plântulas, uma vez que são a base para produção dos portaenxertos para produção de clones, a partir de uma abordagem morfofisiológica da germinação, dinâmica no uso de reservas primárias, padrão de expressão gênica associada à biossíntese de látex de diferentes genótipos selvagens e cultivados durante a germinação e o crescimento inicial das plântulas podem auxiliar na criação de marcadores morfofisiológicos, bioquímicos e moleculares para seleção precoce de genótipos elites. Entretanto, os estudos com sementes completas ou partes delas (embriões ou segmentos nodais) também são importantes, uma vez que, mantendo a utilização dos clones para aperfeiçoar a produção, juntamente com pesquisas de caracterização funcional do material propagado podem contribuir para verificar a formação completa das plantas in vitro visando à seleção de indivíduos mais equilibrados em termos de rusticidade e produção. Portanto, nessa pesquisa nos investigamos as alterações morfofisiológicas, bioquímicas e moleculares durante a germinação e o crescimento inicial das plântulas de diferentes genótipos (Hevea brasiliensis, Hevea guianensis, Hevea spruceana, RRIM 600, FX 3844 e IAN 873), bem como aplicações biotecnológicas e o estabelecimento de algumas espécies in vitro, com ênfase na biossíntese de látex, visando inferir sobre a genótipo mais apto à síntese de borracha natural. No que diz respeito aos aspectos morfofisiológicos relacionados a germinação e pós-germinação dos diferentes genótipos, observou-se diferenças morfológicas das sementes/embriões, estratégias distintas no processo de embebição, emergência e do crescimento inicial das plântulas. As espécies H. guianensis e H. spruceana foi as que apresentaram maiores divergências em tamanho, formato e coloração das sementes/embriões e crescimento inicial de plântulas. Os padrões observados no tegumento das sementes como, coloração e formato, bem como os processos de embebição, crescimento e desenvolvimento das plântulas podem servir como marcadores morfofisiológicos para identificação e seleção de genótipos. Esse é o primeiro estudo morfofisiológico de sementes e plântulas de genótipos selvagens e cultivados de espécies do gênero Hevea. Quanto aos aspectos bioquímicos, analisando os teores de lipídeos, proteínas, carboidratos e nutrientes minerais nas sementes e a sua mobilização durante a germinação e pós-germinação, observamos entre os seis genótipos estratégias distintas de mobilização das reservas, bem como nas atividades enzimáticas. Os genótipos selvagens apresentaram as maiores atividades metabólicas e maior dinâmica quando comparado aos genótipos cultivados. As maiores correlações positivas foram nos genótipos selvagens, H. spruceana e no cultivado, FX 3844. Em geral, as sementes apresentaram como reservas majoritárias os lipídeos, seguido de reservas de proteínas e carboidratos, exceto H. spruceana que apresentou maior reserva de carboidratos, seguido de proteínas e lipídeos. O padrão de mobilização das reservas pode auxiliar como marcadores bioquímicos na seleção de genótipos. Já para os aspectos moleculares, analisando a expressão relativa dos genes por RTqPCR observamos entre os seis genótipos, padrões distintos de expressão gênica para os genes REF1, REF3, REF7 e SRPP1 ao longo da germinação e pós-germinação. Dos quatro genes estudados, três apresentaram potencial para a criação de marcadores moleculares durante a germinação, o gene REF1 para seleção da diversidade genética entre genótipos, o gene REF3 para seleção de genótipos mais homogêneos e o gene SRPP1 para seleção dos genótipos mais produtivos. Nosso estudo é o primeiro a reportar como esses genes são expressos ao longo da germinação e principalmente as diferenças entre os genótipos selvagens e cultivados. Os padrões observados são benéficos para uma compreensão dos principais genes que estão diretamente envolvidos na biossíntese da borracha, e para criação de marcadores moleculares para seleção precoce de genótipos elites. A partir dos aspectos morfofisiológicos, bioquímicos e moleculares investigamos as aplicações biotecnológicas dos subprodutos da Hevea, os oléos fixos das sementes e o C-soro do látex e selecionamos dois genótipos selvagens e investigamos o estabeleceminto dessas espécies H. brasiliensis e H. spruceana a partir de segmentos nodais in vitro. Os extratos vegetais (óleo fixos das sementes e C-soro do látex) dos genótipos de Hevea spp. foram promissores para inibição fúngica contra: Fusarium oxysporum, Aspergillus flavus e Alternaria alternata, confirmando o grande potencial antifúngico. No entanto, os genótipos apresentaram potenciais antifúngicos distintos tanto para os óleos fixos quanto para o C-soro do látex. Esse foi o primeiro estudo a testar o potencial antifúngico de óleos fixos e do C-soro do látex de diferentes genótipos de Hevea spp. contra fungos fitopatogênicos. O cultivo de segmentos nodais nos diferentes tratamentos, em meio Murashige e Skoog's (MS) e suplementados com MS pleno e reguladores vegetais 6- benzilaminopurina-BAP (5 μM), interação de ácido-indol-3-acético-AIA (3 μM) e BAP (5 μM) e ácido acético naftaleno-NAA (0.006 μM) e BAP (0.4 μM), foram eficazes para emergência de brotações para a espécie H. brasiliensis e H. spruceana, observou-se comportamentos e estratégias distintas em relação a emergência e o desenvolvimento das brotações. A espécie H. spruceana apresentou melhor desempenho em relação a H. brasiliensis. Nossos resultados demonstram, portanto, que a manipulação adequada dos componentes do meio de cultura, reguladores vegetais e o genótipo podem influenciar diretamente no estabelecimento de explantes in vitro. Esse foi o primeiro estudo com outra espécie do gênero Hevea, a H. spruceana a qual apresentou grande potencial para a produção em larga escala. Esses estudos com genótipos mostraram diferenças morfofisiológicas em sementes e plântulas, estratégias de utilização de reservas primárias, padrões de expressão gênica durante a germinação e crescimento inicial das plântulas, bem como estabelecimento in vitro. Esses aspectos morfofisiológicos, bioquímicos, moleculares e propagativos são estudos relevantes tanto para o entendimento do metabolismo primário como para o processo de biossíntese do látex ao longo da germinação e crescimento inicial das plântulas, como também auxiliam na seleção precoce de genótipos mais produtivos, uma vez que as sementes são a base para produção de porta-enxertos hoje utilizados mundialmente para a produção de mudas em seringais. |
| Aparece nas coleções: | Doutorado - CFT |
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