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.

M-L band x-rays (3-3.5 KeV) from palladium coated targets for isochoric radiative heating of thin foil samples

We describe experiments designed to produce a bright M-L band x-ray source in the 3-3.5 keV region. Palladium targets irradiated with a 10(15) W cm(-2) laser pulse have previously been shown to convert up to similar to 2% of the laser energy into M-L band x-rays with similar pulse duration to that of the incident laser. This x-ray emission is further characterized here, including pulse duration and source size measurements, and a higher conversion efficiency than previously achieved is demonstrated (similar to 4%) using more energetic and longer duration laser pulses (200 ps). The emission near the aluminium K-edge (1.465-1.550 keV) is also reported for similar conditions, along with the successful suppression of such lower band x-rays using a CH coating on the rear side of the target. The possibility of using the source to radiatively heat a thin aluminium foil sample to uniform warm dense matter conditions is discussed.

Magnetospheric Structure and Atmospheric Joule Heating of Habitable Planets Orbiting M-dwarf Stars

We study the magnetospheric structure and the ionospheric Joule Heating of planets orbiting M-dwarf stars in the habitable zone using a set of magnetohydrodynamic models. The stellar wind solution is used to drive a model for the planetary magnetosphere, which is coupled with a model for the planetary ionosphere. Our simulations reveal that the space environment around close-in habitable planets is extreme, and the stellar wind plasma conditions change from sub- to super-Alfvénic along the planetary orbit. As a result, the magnetospheric structure changes dramatically with a bow shock forming in the super-Alfvénic sectors, while no bow shock forms in the sub-Alfvénic sectors. The planets reside most of the time in the sub-Alfvénic sectors with poor atmospheric protection. A significant amount of Joule Heating is provided at the top of the atmosphere as a result of the intense stellar wind. For the steady-state solution, the heating is about 0.1%-3% of the total incoming stellar irradiation, and it is enhanced by 50% for the time-dependent case. The significant Joule Heating obtained here should be considered in models for the atmospheres of habitable planets in terms of the thickness of the atmosphere, the top-side temperature and density, the boundary conditions for the atmospheric pressure, and particle radiation and transport. Here we assume constant ionospheric Pedersen conductance similar to that of the Earth. The conductance could be greater due to the intense EUV radiation leading to smaller heating rates. We plan to quantify the ionospheric conductance in future study.

Quiet-Sun Hα Transients and Corresponding Small-scale Transition Region and Coronal Heating

Rapid blue- and redshifted excursions (RBEs and RREs) are likely to be the on-disk counterparts of Type II spicules. Recently, heating signatures from RBEs/RREs have been detected in IRIS slit-jaw images dominated by transition region (TR) lines around network patches. Additionally, signatures of Type II spicules have been observed in Atmospheric Imaging Assembly (AIA) diagnostics. The full-disk, ever-present nature of the AIA diagnostics should provide us with sufficient statistics to directly determine how important RBEs and RREs are to the heating of the TR and corona. We find, with high statistical significance, that at least 11% of the low coronal brightenings detected in a quiet-Sun region in He ii 304 Å can be attributed to either RBEs or RREs as observed in Hα, and a 6% match of Fe IX 171 Å detected events to RBEs or RREs with very similar statistics for both types of Hα features. We took a statistical approach that allows for noisy detections in the coronal channels and provides us with a lower, but statistical significant, bound. Further, we consider matches based on overlapping features in both time and space, and find strong visual indications of further correspondence between coronal events and co-evolving but non-overlapping, RBEs and RREs.

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

Root ferric chelate reductase is regulated by iron and copper in straberry plants

In the present experiment, we studied the interaction between copper (Cu) and iron (Fe) in strawberry plants grown in nutrient solutions containing different concentrations of Fe. Plants grown in the absence of iron (Fe0) had the characteristic symptoms of Fe deficiency, with smaller chlorotic leaves, less biomass, acidification of the nutrient solution, and roots that were smaller and less ramified, while no symptoms of Fe deficiency were observed in plants grown with Fe. A greater amount of Cu was found in roots of chlorotic plants than in those grown with Fe, while plants grown with 20M of Fe (Fe20) in the nutrient solution had a greater amount of Fe compared with plants from the other treatments. Chlorotic plants (Fe0) and plants grown with the greatest level of Fe (Fe20) had a greater root ferric chelate reductase (FC-R; EC 1.16.1.17) activity compared with the other treatments with 5 or 10M Fe in the nutrient solution. The same pattern was obtained for relative FC-R mRNA concentration and for the sum of Fe and Cu contents in shoots (leaves plus crowns). The DNA obtained from amplification of the FC-R mRNA was cloned and several of the inserts analysed by single strand confirmation polymorphism (SSCP). Although there were different SSCP patterns in the Fe20 treatment, all the inserts that were sequenced were very similar, excluding the hypothesis of more than one FC-R mRNA species being present. The results suggest that Cu as well as Fe is involved in FC-R expression and activity, although the mechanism involved in this regulation is unknown so far. Both small contents of Fe and Cu in plants led to an over-expression of the FC-R gene and enhanced FC-R activity in strawberry roots.

Aromatic plants, spices and volatiles in food and beverages

The use of spices, common nowadays, was once a sign of high position, luxury and wealth. The value of food ingredients is thus determined by the time in which one lives, that is, it is a product of fashion, since they are always used in a social context. Many plants used as spices enjoyed fame and undeniable importance in the past but their reign was more or less ephemeral, as they were rejected in favour of others for food seasoning, or simply upstaged and/or used for other purposes.

Metal cycling in salt marshes and intertidal mudflats : influence of plants, invertebrates and fishes

Tese de doutoramento, Biologia (Ecologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015