Pesquisa
Estresses abióticos em plantas medicinais: Resposta no metabolismo e uso de fungos micorrízicos arbusculares
Doutorado em Biotecnologia Aplicada à Agricultura
Autor: Cristine Bonacina
Orientador: Silvia Graciele Hülse de Souza
Defendido em: 16/12/2020
Resumo
As plantas medicinais são utilizadas principalmente por suas propriedades terapêuticas. Entretanto, durante o cultivo o ambiente adverso afeta o crescimento e desenvolvimento vegetal, em que o uso de fungos micorrízicos arbusculares (FMAs) auxilia na melhora destes aspectos e protege do estresse. Dessa maneira, o trabalho foi composto por três capítulos, em que os dois primeiros avaliaram o efeito do estresse salino em plantas de Curcuma longa L. O experimento foi conduzido em casa de vegetação, em que as plantas com idade de cento e oitenta dias foram transplantadas para vasos plásticos de cinco litros contendo solo:matéria orgânica:areia (2:2:1 v). Foram utilizados oito vasos por tratamento de NaCl (50, 100 e 150 mM). O tratamento controle consistiu apenas de água. Os dados foram submetidos à análise de variância e ao teste de média Tukey (p ≤0,05). Os parâmetros avaliados foram: crescimento - comprimento da parte aérea (CPA), massa fresca da parte aérea (MFPA) e do rizoma (MFR), massa seca da parte aérea (MSPA), diâmetro do caule, teor de clorofila a, b, totais e carotenóides, dano da membrana plasmática (DM%); análises bioquímicas - peroxidação lipídica (MDA), peróxido de hidrogênio (H202) e prolina; análises de enzimas antioxidantes - superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbato peroxidase (APX); análise de rendimento e composição do óleo essencial (OE); análise estomática – densidade estomática adaxial e abaxial, medição do diâmetro estomático longitudinal e equatorial, porcentagem de estômatos completamente abertos e fechados; e análise do metabolismo não-enzimáticos - açúcares totais (AT) e redutores (AR), fenóis totais (FT), flavonóides e DPPH. No crescimento, o estresse salino afetou os parâmetros avaliados nas plantas de cúrcuma. Para o CPA, diâmetro do caule, MFR, MSPA e DM% ocorreu a redução diante das concentrações de 50 mM, 100 mM e 150 mM. Nas análises bioquímicas, para a prolina a sua atividade foi reduzida em ambas as partes vegetais, em que nas folhas ocorreu diante da concentração de 150 mM e nos rizomas na concentração de 50 mM. No H202 foi observado o mesmo efeito, porém, apenas nas folhas aos 50 mM e 100 mM. Já para MDA, as maiores reduções ocorreram em ambas as partes vegetais da cúrcuma e diante de todas as concentrações de NaCl. Na atividade antioxidante, para a SOD houve o aumento da sua atividade apenas no rizoma aos 100 mM e 150 mM. Para a CAT e APX sua respectivas atividades se mostraram elevadas nas folhas e nos rizomas da cúrcuma aos 50 mM, 100 mM e 150 mM. O rendimento do OE foi reduzido nas concentrações de 50 mM e 150 mM. Na composição química foi identificado um total de 114 compostos, no qual as concentrações de 50 mM e de de 150 mM se destacaram frente as demais, com uma produção de 103 compostos e de 89 compostos, em que os majoritários foram o tumerone, α-tumerone, α-felandreno e o 1,8-cineole. Nas estruturas celulares, para os estômatos adaxiais e abaxiais houve a redução em sua densidade aos 100 mM e 150 mM de NaCl. Nas características das células, os estômatos totalmente fechados prevaleceram sob os abertos, presentes em todas as concentrações de NaCl. No diâmetro estomático, houve uma redução no diâmetro longitudinal aos 50 mM e 150 mM. Na anatomia foliar o sal afetou as estruturas, em que houve uma redução no parênquima paliçádico (PP) aos 150 mM e do parênquima lacunoso (PL) aos 50 mM e 100 mM. No metabolismo primário e secundário, ocorreu o aumento na produção dos AR apenas nos rizomas aos 50 mM, 100 mM e 150 mM. Para FT o mesmo ocorreu, porém foi observado tanto nas folhas quanto nos rizomas. Para DPPH sua atividade foi aumentada, em que nas folhas foi verificado frente a todas as concentrações de sal e nos rizomas aos 150 mM. Já o terceiro capítulo teve como objetivo minimizar os efeitos do estresse, em que foi empregado o FMA Claroideoglomus etunicatum frente ao déficit hídrico em plantas de Ocimum basilicum L. O experimento foi conduzido em câmara de crescimento a 25±2 ºC e fotoperíodo 16 horas de claro/8 horas de escuro. Estacas de manjericão foram transplantadas em vasos plásticos de um litro contendo uma mistura esterilizada de solo:vermiculita:areia (2:1:1 v). Nos tratamentos com os FMAs, foram empregados esporos isolados de FMA Claroideoglomus etunicatum. As plantas ao atingirem 30 dias de idade, deu-se início ao tratamento com o déficit hídrico em que as plantas tiveram a irrigação suspensão por um período de dez dias. O tratamento controle foi irrigado diariamente. Foram utilizados doze vasos por tratamento. O experimento foi realizado em esquema fatorial 2x2. Os dados foram submetidos à análise de variância e ao teste de Duncan (p≤0,05). Foram avaliados as seguintes variáveis: análises químicas e microbiológicas do solo - pH, densidade de esporos (%), colonização radicular (%), respiração basal do solo (RBS), quociente metabólico do solo (qCO2) e biomassa microbiana do solo (BMS); fisiológicas - comprimento da parte aérea (CPA) e da raiz (CRA), massa fresca da parte aérea (MFPA) e da raiz (MFRA), diâmetro do caule, análise de clorofila, teor relativo de água (H20), dano da membrana plasmática (DM%); análise enzimática antioxidante - superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbato peroxidase (APX), DPPH e prolina. Nas análises de solo em que o manjericão foi cultivado, a densidade de esporos foi elevada no tratamento com FMA junto ao déficit hídrico (T4). No índice de colonização radicular, o mesmo ocorreu, porém, no tratamento apenas com o FMA (T3) e ainda no FMA junto ao déficit hídrico (T4). No crescimento, o FMA com o déficit hídrico (T4) auxilio no aumento do diâmetro do caule, do CPA e CR. Na fisiologia o mesmo ocorreu para o conteúdo de clorofila e para o DM%. No sistema antioxidante, a atividade de DPPH foi elevada quando sob o tratamento apenas com o FMA (T3) e ainda no FMA junto ao déficit hídrico (T4). Para CAT, APX e prolina, o FMA com o déficit hídrico (T4) aumento a atividade das enzimas antioxidantes. Os estresses abióticos salino e hídrico quando em contato com as plantas afetam o seu crescimento e metabolismo, como verificado no presente trabalho. Entretanto, a utilização de FMAs minimiza esses danos, pois como conseguem aumentar a disponibilidade de água e nutrientes para as plantas, auxiliam na melhora do seu crescimento e, ainda, da resistência ao estresse. Desta maneira, a importância de utilizar os FMAs está em conseguir obter espécies que sejam tolerantes ao estresse e que melhorem a produtividade das culturas.
Palavras-chave
Curcuma longa L., Ocimum basilicum L., óleo essencial, antioxidante microrganismos promotores do crescimento vegetal
Title
Abiotic stresses in medicinal plants: response in metabolism and use of arbuscular mycorrhizal fungi
Abstract
Medicinal plants are mainly used for their therapeutic properties. However, during cultivation the adverse environment affects plant growth and development, in which the use of arbuscular mycorrhizal fungi (AMFs) helps to improve these aspects and protects from stress. Thus, the study was composed of three chapters, in which the first two evaluated the effect of salt stress on plants of Curcuma longa L. The experiment was conducted in a greenhouse, in which the plants aged one hundred and eighty days were transplanted into five-liter plastic pots containing soil:organic matter:sand (2:2:1 v). Eight vessels were used for NaCl treatment (50, 100 and 150 mM). The control treatment consisted only of water. The data were subjected to analysis of variance and the Tukey average test (p ≤0.05). The evaluated parameters were: growth – shoot length (SL), shoot fresh mass (SFM) and rhizome (SFR), shoot dry weight (SDH), stem diameter, chlorophyll content a, b, total and carotenoids, damage to the plasma membrane (DM%); biochemical analyzes - lipid peroxidation (MDA), hydrogen peroxide (H202) and proline; analysis of antioxidant enzymes - superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX); analysis of yield and composition of essential oil (EO); stomatal analysis - adaxial and abaxial stomatal density, measurement of longitudinal and equatorial stomatal diameter, percentage of stomata completely open and closed; and analysis of non-enzymatic metabolism - total (TS) and reducing (RS) sugars, total phenols (TP), flavonoids and DPPH. During growth, salt stress affected the parameters evaluated in turmeric plants. For SL, stem diameter, SFR, SDH and DM%, there was a reduction due to concentrations of 50 mM, 100 mM and 150 mM. In biochemical analyzes, for proline its activity was reduced in both plant parts, where in the leaves it occurred before the concentration of 150 mM and in the rhizomes in the concentration of 50 mM. In H202 the same effect was observed, however, only in leaves at 50 mM and 100 mM. As for MDA, the greatest reductions occurred in both plant parts of turmeric and before all NaCl concentrations. In the antioxidant activity, for SOD there was an increase in its activity only in the rhizome at 100 mM and 150 mM. For CAT and APX their respective activities were shown to be high in the leaves and rhizomes of turmeric at 50 mM, 100 mM and 150 mM. EO yield was reduced at concentrations of 50 mM and 150 mM. In the chemical composition, a total of 114 compounds were identified, in which the concentrations of 50 mM and 150 mM stood out compared to the others, with a production of 103 compounds and 89 compounds, in which the majority were tumerone, α-tumerone, α-phellandrene and 1,8-cineole. In cell structures, for adaxial and abaxial stomata there was a reduction in density at 100 mM and 150 mM NaCl. In the cell characteristics, the totally closed stomata prevailed over the open ones, present in all NaCl concentrations. In the stomatal diameter, there was a reduction in the longitudinal diameter at 50 mM and 150 mM. In leaf anatomy, salt affected the structures, in which there was a reduction in the palisade parenchyma (PP) at 150 mM and the lacunous parenchyma (LP) at 50 mM and 100 mM. In primary and secondary metabolism, there was an increase in RS production only in rhizomes at 50 mM, 100 mM and 150 mM. For TP, the same occurred, but it was observed in both leaves and rhizomes. For DPPH, its activity was increased, in which leaves were checked against all salt concentrations and in rhizomes at 150 mM. The third chapter aimed to minimize the effects of stress, in which the AMF Claroideoglomus etunicatum was used in view of the water deficit in plants of Ocimum basilicum L. The experiment was conducted in a growth chamber at 25 ± 2 ºC and a 16 hour photoperiod light/8 hours of dark. Basil cuttings were transplanted in one-liter plastic pots containing a sterile mixture of soil:vermiculite:sand (2:1:1v). In the treatments with AMF, isolated spores of AMF Claroideoglomus etunicatum were used. When the plants reached 30 days of age, treatment started with the water deficit in which the plants had their irrigation suspended for a period of ten days. The control treatment was irrigated daily. Twelve vessels were used per treatment. The experiment was carried out in a 2x2 factorial scheme. The data were subjected to analysis of variance and Duncan's test (p≤0.05). The following variables were evaluated: chemical and microbiological analysis of the soil - pH, spore density (%), root colonization (%), basal soil respiration (BSR), soil metabolic quotient (qCO2) and soil microbial biomass (SMB); physiological - shoot length (SL) and root (SR), fresh shoot weight (FSW) and root (FSR), stem diameter, chlorophyll analysis, relative water content (H20), membrane damage plasma (DM%); antioxidant enzyme analysis - superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX), DPPH and proline. In the soil analysis in which the basil was cultivated, the spore density was high in the treatment with AMF along with the water deficit (T4). In the root colonization index, the same occurred, however, in the treatment only with AMF (T3) and also in AMF with water deficit (T4). In growth, AMF with water deficit (T4) helps to increase stem diameter, CPA and CR. In physiology, the same occurred for chlorophyll content and DM%. In the antioxidant system, DPPH activity was high when under treatment only with AMF (T3) and even in AMF with water deficit (T4). For CAT, APX and proline, AMF with water deficit (T4) increases the activity of antioxidant enzymes. Abiotic salt and water stresses when in contact with plants affect their growth and metabolism, as seen in the present study. However, the use of AMF minimizes these damages, since as they manage to increase the availability of water and nutrients for plants, they help to improve their growth and, also, resistance to stress. In this way, the importance of using AMF is to be able to obtain species that are tolerant to stress and that improve crop productivity.
Keywords
Curcuma longa L., Ocimum basilicum L., essencial oil, antioxidant, plant growth promoting microorganisms.