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

Effect of N-nutrition and irrigation on carob (Ceratonia siliqua L.) fruit production

Carob is a traditional crop in Mediterranean areas. It exhibits drought resistance (Lo Gullo and Salleo 1988. Nunes et al. 1989) and tolerates different edaphic conditions (Martins-Loução and Brito de Carvalho 1990).

Nutrition and farming practices as modulators of quality in gilthead seabream (Sparus aurata)

Gilthead seabream is the most important farmed species in the Mediterranean, and knowledge on how common farming practices impact its quality is limited. As such, this Thesis aimed to evaluate how gilthead seabream flesh quality is affected by some of these practices. In Chapter 2, the influence of nutritional factors was evaluated, specifically the high replacement of traditional marine-derived ingredients, both fishmeal and fish oil, with vegetable sources. We have seen that the vegetable-based diets tested did not greatly impact seabream flesh quality, although some alterations were seen in the fatty acid profile of the muscle. However, and despite having caused no alterations in flesh texture, vegetable ingredients reduced the amount of sulphated glycosaminoglycans in the extracellular matrix, affected muscle pH and reduced the activity of proteolytic enzymes. Throughout this Thesis, we measured for the first time the activity of proteolytic enzymes in seabream muscle, and cathepsin B was found to play a pivotal role in post-mortem muscle degradation. In Chapter 3, we evaluated the effect of harvesting and slaughter stress on seabream quality, and contrary to what is seen in most farmed species, our results show that gilthead seabream muscle structure is highly resistant to changes caused by stressful events. Nonetheless, considering that welfare is an increasingly important quality criterion, the use of a zero-withdrawal anaesthetic as a rested harvest technique or even slaughter method could prove valuable to the industry. In Chapter 4, we used maslinic acid as a dietary supplement, to modulate the muscle’s energetic status pre-mortem. As a finishing strategy, maslinic acid failed to increase levels of glycogen and ATP in the muscle. However, supplementation resulted in higher muscle fibre diameter and lower cathepsin B activity, and maslinic acid is likely to be useful to promote growth in this species. In general our Thesis has generated new knowledge to a major challenge facing the aquaculture industry, which is to find a compromise between the trends towards intensive rearing and consumer demand for healthy, high quality seafood being ethically acceptable and having a low impact on the environment.

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.

Study of predictive biomarkers of manganese toxicity : control and prevention of neurotoxicity associated with parenteral nutrition

Tese de doutoramento, Farmácia (Toxicologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

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

Animism in Rainforest and Tundra: Personhood, Animals, Plants and Things in Contemporary Amazonia and Siberia (Book Review)

Animism is a form of traditional spiritual belief that receives welcome treatment here. The observations of Victorian ethnologist travellers on the local peoples they regarded as primitive was analysed by Sir Edward (E. B.) Tylor, in Primitive Culture (1871) which established the working definition of animism followed by later generations of scholars. This came from the observation that non-scientific people did not always draw sharp distinctions between human persons and other entities such as animals, trees and even rocks but imbued these with soul. The latin anima, ‘soul, spirit’ provided the title of what was assumed to be a primitive religion, animism. The study being reviewed recognizes apparent connections within deep history between Siberia and the Amazon, and uses contemporary social anthropology to clarify assumptions about animism. This book on animism in two shamanic cultures explores personhood and the relations in pre-scientific human thought between humans and non-humans, in contexts where non-humans can be regarded as social persons (p.2).

How does developmental plasticity differ between diverse types of nutrition regimes?

Tese de mestrado em Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016