Effects of Elodea nuttallii on temperate freshwater plants, microalgae and invertebrates: small differences between invaded and uninvaded areas

The invasive aquatic plant species Elodea nuttallii could pose a considerable risk to European freshwater ecosystems based on its current distribution, rate of spread and potential for high biomass. However, little research has been conducted on the impacts of this species on native biota. This study takes an ecosystem-wide approach and examines the impact of E. nuttallii on selected physicochemical parameters (dissolved oxygen and pH), algae, invertebrate and macrophyte communities. Elodea nuttallii had small but significant impacts on plant, invertebrate and algal species. The richness of algal periphyton was lower on E. nuttallii than on native macrophytes. The taxonomic composition of invertebrate communities associated with E. nuttallii differed from that associated with similar native plant species, but did not differ in terms of total biomass or species richness. Macrophyte species richness and total cover were positively correlated with percentage cover of E. nuttallii. Not all macrophyte species responded in the same way to E. nuttallii invasion; cover of the low-growing species, Elodea canadensis and charophytes were negatively correlated with E. nuttallii cover, whilst floating-rooted plants were positively correlated with E. nuttallii cover. All observed differences in the macrophyte community were small relative to other factors such as nutrient levels, inter-annual variation and differences between sites. Despite this, the observed negative association between E. nuttallii and charophytes is a key concern due to the rarity and endangered status of many charophyte species.

Plants Fagonia cretica L. and Hedera nepalensis K. Koch contain natural compounds with potent dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) inhibitory activity

Ethnopharmacological relevance
The two plants investigated here (Fagonia cretica L. and Hedera nepalensis K. Koch) have been previously reported as natural folk medicines for the treatment of diabetes but until now no scientific investigation of potential anti-diabetic effects has been reported. 

Materials and methods
In vitro inhibitory effect of the two tested plants and their five isolated compounds on the dipeptidyl peptidase 4 (DPP-4) was studied for the assessment of anti-diabetic activity. 

Results
A crude extract of Fagonia cretica possessed good inhibitory activity (IC₅₀value: 38.1 μg/ml) which was also present in its n-hexane (FCN), ethyl acetate (FCE) or aqueous (FCA) fractions. A crude extract of Hedera nepalensis (HNC) possessed even higher inhibitory activity (IC₅₀value: 17.2 μg/ml) and this activity was largely retained when further fractionated in either ethyl acetate (HNE; IC₅₀: 34.4 μg/ml) or n-hexane (HNN; 34.2 μg/ml). Bioactivity guided isolation led to the identification of four known compounds (isolated for the first time) from Fagonia cretica: quinovic acid (1), quinovic acid-3β-O-β-d-glycopyranoside (2), quinovic acid-3β-O-β-d-glucopyranosyl-(28→1)-β-d-glucopyranosyl ester (3), and stigmasterol (4) all of which inhibited DPP-4 activity (IC₅₀: 30.7, 57.9, 23.5 and >100 μM, respectively). The fifth DPP-4 inhibitor, the triterpenoid lupeol (5) was identified in Hedera nepalensis (IC₅₀: 31.6 μM). 

Conclusion
The experimental study revealed that Fagonia cretica and Hedera nepalensis contain compounds with significant DPP-4 inhibitory activity which should be further investigated for their anti-diabetic potential.

Burkholderia cenocepacia Lipopolysaccharide Modification and Flagellin Glycosylation Affect Virulence but Not Innate Immune Recognition in Plants

Burkholderia cenocepacia causes opportunistic infections in plants, insects, animals, and humans, suggesting that “virulence” depends on the host and its innate susceptibility to infection. We hypothesized that modifications in key bacterial molecules recognized by the innate immune system modulate host responses to B. cenocepacia. Indeed, modification of lipo- polysaccharide (LPS) with 4-amino-4-deoxy-L-arabinose and flagellin glycosylation attenuates B. cenocepacia infection in Arabi- dopsis thaliana and Galleria mellonella insect larvae. However, B. cenocepacia LPS and flagellin triggered rapid bursts of nitric oxide and reactive oxygen species in A. thaliana leading to activation of the PR-1 defense gene. These responses were drastically reduced in plants with fls2 (flagellin FLS2 host receptor kinase), Atnoa1 (nitric oxide-associated protein 1), and dnd1-1 (reduced production of nitric oxide) null mutations. Together, our results indicate that LPS modification and flagellin glycosylation do not affect recognition by plant receptors but are required for bacteria to establish overt infection.

A comparison of carbon flow from pre-labelled and pulse-labelled plants

Perennial rye-grass was subjected to two different¹⁴C labelling regimes to enable a partitioning of the carbon sources contributing to rhizosphere carbon-flow. Plant/soil microcosms were designed which enabled rye-grass plants to either receive a single pulse of¹⁴C-CO₂ or to be pre-labelled using a series of¹⁴C-CO₂ pulses, allowing the fate of newly photoassimilated carbon and carbon lost by root decomposition to be followed into the soil. For young rye-grass plants grown over a short period, rhizosphere carbon flow was found to be dominated by newly photoassimilated carbon. Evidence for this came from the observed percentage of the total¹⁴C budget (i.e. total¹⁴C-CO₂ fixed by the plants) lost from the root/soil system, which was 30 times greater for the pulse labelled compared to pre-labelled plants. Root decomposition was found to be less at 10°C compared to 20-25°C, though input of¹⁴C into the soil was the same at both temperatures. © 1988 Kluwer Academic Publishers.

Do leaves of plants on phosphorus-impoverished soils contain high concentrations of phenolic defence compounds?

Prominent theories of plant defence have predicted that plants growing on nutrient-poor soils produce more phenolic defence compounds than those on richer soils. Only recently has the Protein Competition Model (PCM) of phenolic allocation suggested that N and P limitation could have different effects because the nutrients are involved in different cellular metabolic processes. 2. We extend the prediction of the PCM and hypothesize that N will have a greater influence on the production of phenolic defensive compounds than P availability, because N limitation reduces protein production and thus competition for phenylalanine, a precursor of many phenolic compounds. In contrast, P acts as a recyclable cofactor in these reactions, allowing protein and hence phenolic production to continue under low P conditions. 3. We test this hypothesis by comparing the foliar concentrations of phenolic compounds in (i) phenotypes of 21 species growing on P-rich alluvial terraces and P-depleted marine terraces in southern New Zealand, and (ii) 87 species growing under similar climates on comparatively P-rich soils in New Zealand vs. P-depleted soils in Tasmania. 4. Foliar P concentrations of plants from the marine terraces were about half those of plants from alluvial soils, and much lower in Tasmania than in New Zealand. However, foliar concentrations of N and phenolic compounds were similar across sites in both comparisons, supporting the hypothesis that N availability is a more important determinant of plant investment in phenolic defensive compounds than P availability. We found no indication that reduced soil P levels influenced plant concentrations of phenolic compounds. There was wide variation in the foliar N and P concentrations among species, and those with low foliar nutrient concentrations produced more phenolics (including condensed tannins). 5. Our study is the first trait comparison extending beyond standard leaf economics to include secondary metabolites related to defence in forest plants, and emphasizes that N and P have different influences on the production of phenolic defence compounds. © 2009 British Ecological Society.

Computerized key to the genus Bursaphelenchus Fuchs, analysis of species clusters based on morphology, using information of insect vectors and associated plants, with a revision of the genus.

The genus Bursaphelenchus includes B. xylophilus (Steiner et Buhrer, 1934) Nickle, 1981, which is of world economic and quarantine importance. Distinction among several species of the pinewood nematodes species complex (PWNSC) is often difficult. Besides standard morphology, morphometrics and molecular biology, new tools are welcome to better understand this group. The computerized (or e-) key of this genus, presented in this communication, includes 74 species (complete list of valid species of the world fauna) and 35 characters, that were used by the taxonomic experts of this group, in the original descriptions. Morphology of sex organs (male spicules and female vulval region) was digitized and classified to distinguish alternative types. Several qualitative characters with overlapping character states (expressions) were transformed into the morphometric indices with the discontinuous ranges (characters of ratios of the spicule dimensions). Characters and their states (expressions) were illustrated in detail and supplied by brief user-friendly comments. E-key was created in the BIKEY identification system (Dianov & Lobanov, 1996-2004). The system has built-algorithm ranging characters depending on their diagnostic values at each step of identification. Matrix of species and the character states (structural part of the e-key database) may be easily transformed using statistical packages into the dendrograms of general phenetic similarities (UPGMA, standard distance: mean character difference). It may be useful in the detailed analysis of taxonomy and evolution of the genus and in its splitting to the species groups based on morphology. The verification of the dendrogram using the information on the species links with insect vectors and their associated plants, provided an opportunity to recognize the five clusters (xylophilus, hunti, eremus sensu stricto, tusciae and piniperdae sensu stricto), which seem to be the natural species groups. The hypothesis about the origin and the first stages of the genus evolution is proposed. A general review of the genus Bursaphelenchus is presented.

Phytochelatin signal tranduction and cadmium chelation in plants

As plantas utilizam diversas estratégias de sinalização para reconhecer e responder aos stresses ambientais. A maioria das vias de transdução de sinais partilham um sinal genérico, normalmente a modulação dos níveis intracelulares de Ca2+. Esta por sua vez pode iniciar uma cascata de fosforilação proteica que finalmente afecta as proteínas directamente envolvidas na protecção celular ou culmina em factores de transcrição que vão determinar a resposta fisiológica ao stresse. A percepção destes sinais e a compreensão de como estes podem activar as respostas adaptativas são factores-chave para a tolerância das plantas a stresses abióticos. Um dos principais stresses abóticos que restrigem o crescimento das plantas é a presença de metais pesados. A produção de fitoquelatinas e a subsequente quelação dos metais é o mecanismo mais conhecido de tolerância ao stresse metálico em plantas. Fitoquelatinas (PCs) são péptidos com grupos tiol que são sintetizados através da transpeptidação da glutationa (GSH), pela acção da enzima fitoquelatina sintase (PCS). No entanto, até ao momento, as vias de sinalização que levam à síntese de fitoquelatinas e à percepção do stresse metálico são pouco compreendidas. Dentro deste contexto, o presente trabalho foi elaborado com o intuito de elucidar a via de sinalização através da qual o cádmio é detectado pelas células vegetais e induz a síntese de PCs. Quase todos, os estudos de stresses abióticos em plantas apontam para o facto de a sua sinalização se basear nos mesmos tipos de sinais moleculares, nomeadamente a sinalização por cálcio, a fosforilação proteica e a indução de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Trabalhos recentes sugerem que a sinalização de PCs poderá envolver todos estes parâmetros. Assim, uma primeira abordagem foi efectuada para compreender a síntese de PCs na espécie Arabidopsis thaliana, através da monitorizaçção da actividade de enzimas relacionadas, a γ-EC sintetase, GSH sintetase e a PC sintase (PCS), assim como o tempo necessário para o elongamento das PCs e a sua acumulação. Seguidamente, ao longo deste processo foi analisada a expressão de sinais específicos, associados com sinais de cálcio, fosforilação proteica e sinalização por ROS. A importância destes factores na síntese de PCs foi também avaliada através do uso de moduladores farmacológicos de cálcio e fosfatases proteicas e também pela indução de stresse oxidativo. Os resultados demonstraram novos dados sobre o papel do cálcio e da fosforilação proteica na produção de PCs e na síntese de GSH, revelando que a actvidade da PCS é regulada por fosforilação e que a sinalização de cálcio pode mediar a síntese de GSH. O envolvimento da sinalização de ROS na síntese de GSH, atráves de crosstalk com a sinalização de cálcio também foi proposta. Assim, os resultados aqui apresentados descrevem uma possível via de sinalização de cádmio nas plantas e da indução de fitoquelatinas. Este trabalho poderá ser portanto muito útil na implementação de novas metodologias de agricultura sustentável e práticas de fitorremediação em solos contaminados com metais pesados.

Combined effects of chemical and natural stressors to soil organisms and plants

Nas últimas décadas, a Terra tem experimentado um aquecimento global e mudanças nos padrões de precipitação. Muitos estudos sobre a avaliação de risco de agrotóxicos em organismos não-alvo foram realizados com base em protocolos padronizados, com condições abióticas controladas. Mas, em campo, os organismos são expostos a flutuações de vários fatores ambientais, bem como a poluentes, que podem alterar os limites de tolerância dos organismos aos stressores naturais, bem como alterar a toxicidade ou biodisponibilidade do químico em causa. Considerando isso, o principal objetivo deste trabalho foi o de avaliar de que modo e em que medida os fatores ambientais (temperatura, humidade do solo e radiação UV) podem interagir uns com os outros ou afetar a toxicidade do carbaril para invertebrados do solo e plantas. Para isso, foram utilizadas quatro espécies padrão: Folsomia candida, Eisenia andrei, Triticum aestivum e Brassica rapa, e simulados diferentes cenários climáticos, com vários parâmetros letais e subletais analisados. A exposição combinada foi analisada utilizando, quando possível, a ferramenta MIXTOX, com base no modelo de referência de acção independente (IA) e possíveis desvios, assim como rácios sinergísticos/antagonísticos (a partir de valores de EC50/LC50), quando a dose-resposta de um dos stressores não foi obtida. Todos os fatores de stress aplicados isoladamente causaram efeitos significativos sobre as espécies testadas e sua exposição combinada com carbaril, apresentaram respostas diferenciadas: para as minhocas, a seca e temperaturas elevadas aumentaram os efeitos deletérios do carbaril (sinergismo), enquanto o alagamento e temperaturas baixas diminuíram sua toxicidade (antagonismo). Para os colêmbolos, o modelo IA mostrou ser uma boa ferramenta para prever a toxicidade do carbaril tanto para temperaturas altas como para as baixas. Para as duas espécies de plantas foram encontradas diferenças significativas entre elas: em termos gerais, as interações entre carbaril e os stressores naturais foram observadas, com sinergismo aparecendo como o padrão principal relacionado com a radiação UV, solos secos e temperaturas elevadas, enquanto o padrão principal relacionado com temperaturas baixas e stress de alagamento foi o antagonismo. Quando os efeitos de dois stressores naturais (radiação UV e humidade do solo) em plantas foram avaliados, uma interação significativa foi encontrada: a seca aliviou o efeito deletério da radiação UV em T. aestivum e o alagamento aumentou os seus efeitos, mas para B. rapa a adição de ambos os stresses de água causou um aumento (sinergismo) dos efeitos deletérios da radiação UV para todos os parâmetros avaliados. Portanto é necessário que as diferenças sazonais e latitudinais, bem como as mudanças climáticas globais, sejam integradas na avaliação de risco de contaminantes do solo.

Physiology and metabolic profile of Moringa olifera and Eucalyptus globulus plants subjected to climate changes

As alterações climáticas emergentes têm um grande impacto no crescimento e desenvolvimento de espécies florestais, nomeadamente em espécies de valor industrial e medicinal, como é o caso do eucalipto (Eucalyptus globulus) e da moringa (Moringa oleifera). Assim, é urgente conhecer as respostas fisiológicas e entender as variações que ocorrem nos perfis metabólicos de espécies vegetais. Neste trabalho, plantas jovens de Eucalyptus globulus foram expostas a radiação UVB (12kJ/m2) e foram avaliadas as respostas fisiológicas e o perfil metabólico, um e onze dias após a aplicação da radiação. A dose de UVB usada não afetou as reações fotoquímicas nem as trocas gasosas, contudo ao nível do metabolismo do carbono (AST e amido) e do conteúdo de pigmentos verificaram-se pequenas alterações (AST e pigmentos). Através da análise do perfil metabólico de E. globulus foram encontrados compostos voláteis e semi-voláteis pertencentes às famílias dos terpenos, sesquiterpenos e aldeídos. Em geral, os sesquiterpenos e os álcoois monoterpénicos apresentaram uma tendência para manter e, em alguns casos, diminuir com o stress, enquanto que o grupos dos aldeídos aumentou e os monoterpenos apresentaram um comportamento mais heterogéneo. O E. globulus mostrou ser uma espécie tolerante à aplicação da dose de UVB usada neste trabalho. Por outro lado, plantas jovens de M. oleifera foram expostas a défice hídrico (DH). Um grupo de plantas foi recolhido um dia após o final da exposição e o outro grupo após onze dias do final da exposição. Foi avaliado o perfil metabólico desta espécie através de GC/MS. Os dados cromatográficos indicaram que em condições de stress (DH(1) e DH(11)), as quantidades de compostos associados a vias primárias e secundárias de defesa (como os alcanos, álcoois, ácidos carboxílicos, esteróis, aminoácidos e açucares) sofreram algumas alterações. As plantas analisadas 11 dias após a remoção do stress mostraram maiores variações do perfil de metabolitos. No entanto, tanto um como onze dias após a remoção do stress, as plantas apresentaram a formação de novos rebentos. Apesar do perfil de metabolitos ter sofrido algumas alterações, por não se registarem casos de morte, conclui-se que as plantas de moringa mostraram ser tolerantes aos tratamentos aplicados.

In vitro propagation of insectivorous plants for phytochemical purposes

Dissertação mest., Engenharia Biológica, Universidade do Algarve, 2009

The role of papyrus plants (Cyperus papyrus) and internal waves in the nutrient balance of Lake Victoria, East Africa

Dissertação mest., Gestão da água e da costa, Universidade do Algarve, 2007

Phytochemical studies and biological activity of carnivorous plants from the Mediterranean region

Tese de doutoramento, Ciências Biotecnológicas (Biotecnologia Vegetal), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2010