Transcription of alternative oxidase (AOX) and plastid terminal oxidase (PTOX) during stress-regulated root tissue growth in Daucus carota L. - An approach to identify functional marker candidates for breeding on carrot yield stability

A presente tese explora a hipótese de utilização dos genes da oxidase alternativa (AOX) e da oxidase terminal da plastoquinona (PTOX) como genes-alvo para o desenvolvimento de marcadores funcionais (MF) para avaliar a performance do crescimento em cenoura, fator determinante da produtividade. Para avaliar se os referidos genes estão associados com o crescimento da cenoura procedeu—se ao seu isolamento e posterior análise dos seus perfis de transcrição em diversos sistemas biológicos. O sistema in vitro selecionado, denominado sistema de culturas primárias, permitiu avaliar alterações na quantidade de transcritos desses genes durante os processos de reprogramação celular e crescimento. Ao nível da planta foi também estudado o efeito do frio na expressão precoce dos genes AOX. Ambos os genes DcAOX1 e DcAOX2a revelaram uma resposta rápida e um padrão semelhante apos stresse (inoculação in vitro e resposta ao frio). Foi igualmente verificado um incremento na expressão do gene DcPTOX durante a fase inicial do processo de reprogramação celular. Estudos de expressão dos genes AOX durante o desenvolvimento da raiz da cenoura revelaram que o gene DcAOX2a será potencialmente o gene mais envolvido neste processo. De modo a avaliar a hipótese de envolvimento do gene DcPTOX no crescimento da raíz procederam—se a estudos de expressão ao nível do tecido meristemático. Todavia, para um mais completo entendimento da ligação entre DcPTOX e o crescimento secundário e/ou acumulação de carotenos, a expressão do gene DcPTOX foi também avaliada em raízes de cenoura durante o desenvolvimento, utilizando cultivares caracterizadas por distintos conteúdos de carotenos. Os resultados obtidos demonstraram a associação do gene DcPTOX a ambos os processos. O envolvimento da PTOX no crescimento adaptativo da raiz foi analisado com um ensaio que permitiu identificar, no tecido meristemático, uma resposta precoce do gene DcPTOX face a uma diminuição da temperatura. Adicionalmente, foi efetuada a seleção de genes de referência para uma analise precisa da expressão génica por RT-qPCR em diversos sistemas biológicos de cenoura, e a importância do seu estudo ao nível do sistema biológico foi realçada. Os resultados desta tese são encorajadores para prosseguir os estudos de utilização dos genes AOX e PTOX como MF no melhoramento da performance do crescimento adaptativo em cenoura, fator determinante para a produtividade; ABSTRACT: This thesis explores the hypothesis of using the alternative oxidase (AOX) and theplastid terminal oxidase (PTOX) as target genes for functional marker (FM) development for yield-determining growth performance in carrot. To understand if these genes are associated to growth, different AOX gene family members and the single PTOX gene were isolated, and their expression patterns evaluated in diverse carrot plant systems. An in-vitro primary culture system was selected to study AOX and PTOX transcript changes during cell reprogramming and growth performance. At plant level, a putative early response of AOX to chilling was also evaluated. In fact, both DcAOXl and DcAOXZa were early responsive and showed similar patterns under stress conditions (in vitro inoculation and chilling). A role for DcPTOX during earliest events of cell reprogramming was also suggested. Next, the expression profiles of AOX gene family members during carrot tap root development were investigated. DcAOXZa was identified as the most responsive gene to root development. In order to evaluate if DcPTOX is associated with carrot tap root growth performance, DcPTOX transcript levels were measured in the central root meristem. To further understand whether DcPTOX is associated with secondary growth and/or carotenoids accumulation, DcPTOX expression was also studied in deveIOping carrot tap roots in cultivars with different carotenoids contents. The results indicated that DcPTOX associates to both carotenoid biosynthesis and secondary growth during storage root development. To obtain further insights into the involvement of PTOX on adaptive growth, the early effects of temperature decrease were explored in the root meristem, where a short—term early response in DcPTOX was found, probably associated with adaptive growth. Furthermore, a selection of the most suitable reference genes for accurate RT—qPCR analysis in several carrot experimental systems was performed and discussed. The present research provides the necessary toolbox for continuing studies in carrot AOX and PTOX genes as promising resources for FM candidates in order to assist breeding on yield—determining adaptive growth performance.

Avaliação da eficiência de remoção do contaminante de origem farmacêutica atenolol pela planta phragmites australis em leitos construídos de macrófitas

O atenolol é um fármaco β-bloqueador normalmente encontrado em águas residuais devido à incapacidade que os processos convencionais de tratamento destas águas têm em removê-lo. Neste trabalho foram utilizados microcosmos de leitos construídos de macrófitas de fluxo sub-superficial utilizando uma matriz de argila expandida (LECA) e plantados com Phragmites australis para avaliar a sua capacidade em remover atenolol das águas residuais. Para a detecção e quantificação do atenolol em soluções aquosas (águas e efluentes) desenvolveu-se e optimizou-se uma metodologia analítica usando separação cromatográfica por HPLC e detecção espectrofotométrica por diode array (HPLC-DAD) ou por ultravioleta visível (HPLC-UV-Vis). Desenvolveu-se também um procedimento de limpeza e concentração de amostra por extracção em fase sólida (SPE), o qual foi utilizado sempre que as concentrações do analito se encontraram abaixo dos limites de quantificação do equipamento. A utilização desta metodologia de HPLC, combinada com uma eficaz pré-concentração por SPE, resultou num método analítico com um limite de quantificação muito reduzido (9 ngmL-1) e elevada reprodutibilidade (RSD<4%). A eficiência de remoção de atenolol pelos sistemas de macrófitas estudados foi de 93% após um tempo de retenção de 4 dias. Foram testados leitos só com LECA e com LECA e plantas para remoção do atenolol. Nos leitos só com LECA, a cinética de remoção foi caracterizada por um rápido passo inicial (uma remoção de aproximadamente 75% após apenas 24 h), o qual é frequentemente atribuído à adsorção na matriz de LECA. A remoção de atenolol nos leitos de LECA continuou a aumentar de forma constante até ao final do ensaio (8 dias), sendo, contudo cerca de 5-10% mais baixo do que o valor observado nos leitos das plantas após os 4 primeiros dias. Para o tempo de retenção de 4 dias a maioria do atenolol é removido pela matriz de LECA, porém um acréscimo de cerca de 12-14% relativamente à eficiência de remoção global pode ser atribuído às plantas (Phragmites australis), o que está de acordo com trabalhos anteriormente publicados. Apesar de ser necessário realizar mais testes utilizando sistemas em larga escala, de modo a conseguir avaliar totalmente o comportamento do atenolol num sistema de leitos construídos de macrófitas, o presente estudo apresenta a possibilidade de aplicar este tipo de sistemas, relativamente baratos, no tratamento de águas residuais contaminadas com atenolol. ABSTRACT: Atenolol is a β-blocker drug commonly found in wastewaters due to the inability of the conventional wastewater treatment processes to remove it. ln this study, subsurface flow constructed wetland microscosm systems have been established with a matrix of light expanded clay aggregates (LECA) and planted with Phragmites australis in order to evaluate their ability to remove atenolol from wastewater. For the detection and quantification of atenolol in aqueous solutions (water and wastewater), an adequate analytical methodology was developed and optimized using chromatographic separation by HPLC and diode array (DAD) or UV-Vis spectrophotometric detection. A sample clean-up and preconcentration procedure by solid phase extraction (SPE) was also developed for use whenever the concentration levels of the analyte were below the instrument's limit of quantification. Combined with an efficient SPE concentration step, the use of HPLC yielded an analytical method for atenolol quantification with very low LOQ (9 ngmL-1) and high reproducibility (RSD< 4%). Overall atenolol removal efficiency of 93% was achieved after a retention time of only 4 days with the microcosm systems planted with Phragmites australis. The removal kinetics was characterized by an initial fast step (removal of about 75% after just 24h) which is mainly attributable to adsorption on the LECA matrix. Atenolol removal in LECA beds continues to increase in a steady pace up to the end of the assay (8 days) being nevertheless about 5-l 0% lower than those observed in the planted beds after the first 4 days. For the retention time of 4 days most of the atenolol is removed by the LECA matrix but an additional 12-14% to the overall removal efficiency can be attributed to the Phragmites plants, which comes in agreement with other published reports. Despite the fact that further tests using larger­ scale systems are required to fully evaluate the atenolol behavior in a constructed wetland system, this study points out to the possible application of these low-cost wastewater systems to treat atenolol contaminated wastewater.

Avaliação de ecótipos de figueira-da-índia [Opuntia ficus-indica L. (Miller)] para produção de fruto

A figueira-da-índia [Opuntia ficus-indica (L.) Miller] é uma espécie da família Cactaceae, com centro de origem e domesticação no México. Possui características morfofisiológicas particulares que permitem uma elevada eficiência de utilização da água. Esta espécie representa uma cultura alternativa para as regiões do interior de Portugal onde se prevê que as alterações climáticas possam vir a ter maior impacto. Em Maio de 2012 foram plantados, na Escola Superior Agrária de Castelo Branco num solo de baixa aptidão agrícola, cladódios de dezasseis ecótipos portugueses de O. ficus-indica e duas variedades italianas (“Gialla” e “Bianca”). O delineamento experimental consistiu em blocos casualizados completos com três repetições. O compasso foi de 2,5 x 1,5, com 15 plantas por população e um cladódio por cova. Previamente à plantação foi realizada a fertilização com adubo ternário, na proporção de 40 kg/ha de cada macronutriente (N, P e K). O ensaio foi conduzido em sequeiro nos dois primeiros anos, tendo sido fornecidos aproximadamente 70 mm de água no terceiro ano. Foi realizado o controlo mecânico de infestantes, sem mobilização do solo. As populações foram avaliadas no terceiro ano após a plantação tendo sido quantificada a produção média de frutos por planta (kg), número de frutos e classes de peso do fruto. Relativamente aos parâmetros estudados, verificou-se a existência de diferenças significativas entre as populações. As variedades “Gialla” e “Bianca” foram as mais produtivas destacando-se nitidamente dos ecótipos portugueses, o que reflete a sua origem como material vegetal melhorado. Ainda assim, entre as dezasseis populações portuguesas de O. ficus-indica, foi eleito um pequeno grupo de ecótipos com interesse para produção de fruto e que poderá constituir material de partida para iniciar um programa de melhoramento desta espécie.