Aspectos fisiológicos e moleculares da absorção e metabolismo do nitrogênio e do déficit hídrico em café arabica

Abstract

O cafeeiro possui baixa eficiência de uso de nitrato como fonte inorgânica de N, sendo que as causas fisiológicas e genéticas dessa reduzida resposta ainda não são totalmente conhecidas. Além do uso eficiente de fertilizantes, outro fato que vem que vem impactando a produção agrícola em geral e a cafeicultura é a seca. A escassez de água será um dos maiores problemas globais neste século. Portanto é fundamental entender os mecanismos moleculares e fisiológicos pelos quais plantas terrestres se adaptam a falta de água com o objetivo de desenvolver práticas agrícolas mais racionais de aproveitamento da água e nitrogênio. Assim sendo, este trabalho objetivou: a) a obtenção de parâmetros cinéticos de absorção de nitrato por mudas de café cultivadas em solução nutritiva na ausência e presença de déficit hídrico; b) avaliar o perfil transcricional de genes relacionados aos transportadores de nitrato (NRT3.2 e NRT1.2) e genes relacionados ao metabolismo do N (NIA2, GLN1.3 e GLT1) em condição de déficit hídrico e deficiência de N; c) avaliar as trocas gasosas e os parâmetros de fluorescência da clorofila a em condições de déficit hídrico e deficiência de nitrogênio. Para alcançar os objetivos propostos foram realizados quatro experimentos separadamente. No primeiro, oito cultivares de café foram submetidas a ensaio de exaustão para determinação dos parâmetros cinéticos de absorção de nitrato em solução nutritiva. No segundo e terceiro experimentos, as cultivares Catuaí Amarelo (alto Vmax) e Mundo Novo (baixo Vmax), selecionadas a partir dos resultados do primeiro experimento, foram submetidas aos seguintes tratamentos: N-suficiente (+N, 5,0 mmol L-1 N-NO3-) sem déficit hídrico, N-suficiente (+N, 5,0 mmol L-1 N-NO3-) com déficit hídrico (-1,5 MPa) e N-deficiente (-N, 0,0 mmol L-1 N-NO3-) sem déficit hídrico para avaliação de expressão diferencial de genes. No quarto experimento cinco cultivares de café foram submetidas aos seguintes tratamentos: N-suficiente (+N, 5,0 mmol L-1 N- NO3-) sem déficit hídrico, N-suficiente (+N, 5,0 mmol L-1 N-NO3-) com déficit hídrico (-1,5 MPa) e N-deficiente (-N, 0,0 mmol L-1 N-NO3-) sem déficit hídrico, para avaliar as características fisiológicas relacionadas com a fotossíntese e parâmetros da clorofila a. O déficit hídrico foi imposto pela aplicação de polietileno glicol 8000. Em todos experimentos utilizou-se o delineamento em blocos casualizados com três repetições. Os parâmetros cinéticos de absorção de nitrato variaram entre as cultivares em condições controle e sob déficit hídrico. As cultivares Catuaí Vermelho, Catuaí Amarelo, Catucaí Amarelo, Catiguá MG2, Acauã, Oeiras e Sachimor são as que possuem maior velocidade de absorção em condições de ausência de déficit hídrico. Em condições de déficit hídrico, a cultivar Catuaí Amarelo possui a maior velocidade de absorção. A cultivar Mundo Novo não apresentou alterações nos parâmetros cinéticos avaliados quando o déficit hídrico foi imposto. A cultivar Catuaí Amarelo apresentou melhor adaptação à condição de déficit hídrico. Essa cultivar possui também maior plasticidade, podendo se estabelecer mais facilmente em condições com altos ou baixos teores de NO3-, como também em baixa disponibilidade hídrica. Os genes estudados (NRT1.2, NRT3.2, NIA2, GLT e GLN1.3) aumentaram a sua expressão em plantas submetidas ao déficit hídrico e a deficiência de N. A cultivar Mundo Novo apresentou maior expressão relativa dos genes NRT1.2, NRT3.2 e GLT em tecidos radículas 96 h após a imposição do déficit hídrico. Na parte aérea das mudas de café os genes NRT1.2 e NRT3.2 foram os que exibiram maior expressão relativa, as 8 h e 96 h após imposição do déficit hídrico, respectivamente. Quando o déficit hídrico foi imposto, os genes NRT1.2, NRT3.2, NIA2 e GLT apresentaram maior transcrição diferencial no sistema radicular das plantas. Já o gene GLN1.3, em condições de reduzida disponibilidade de água apresentou maior expressão na parte aérea das plantas. O déficit hídrico provocou maiores alterações na expressão relativa dos genes estudados do que o tratamento com deficiência de N. A deficiência de N causou menores danos ao aparelho fotossintético das plantas que o déficit hídrico. O defícit hídrico afetou o potencial hídrico foliar, a fotossíntese líquida, condutância estomática, eficiência do uso da água, taxa de transporte de elétrons, eficiência quântica do FSII e eficiência fotoquímica máxima do FSII das mudas de café, reduzindo-os durante o período. Já para o tratamento com deficiência de nitrogênio, apenas as variáveis taxa de transporte de elétrons, eficiência quântica do FSII e eficiência fotoquímica máxima do FSII das mudas de café foram afetadas e também apresentaram redução.

The coffee has low nitrate use efficiency as a source of inorganic N, and the physiological and genetic causes of this reduced response are still not fully known. In addition to the requirement of large amounts of nitrogen fertilizers, another challenge to the food production in general, and for coffee production in particular, is drought. Water scarcity is one of the biggest global problems in this century. Therefore it is important to understand the molecular and physiological mechanisms by which plants adapt the lack of water in order to develop more rational farming practices use of water and nitrogen. Therefore, this study aimed to: a) obtaining kinetic parameters of nitrate uptake by coffee seedlings grown in nutrient solution in the absence and presence of water deficit; b) evaluate the transcriptional profile of genes related to nitrate transporters (NRT3.2 and NRT1.2) and genes related to metabolism of N (nia2, GLN1.3 and GLT1) in drought condition and deficiency of N; c) assess gas exchange and chlorophyll fluorescence parameters in conditions of drought and nitrogen deficiency. To achieve the proposed objectives were carried out four experiments separately. In the first eight coffee varieties were subjected to exhaustion assay for determining the kinetic parameters of the nitrate uptake in nutrient solution. In the second and third experiments, the Catuaí Amarelo cultivars (high Vmax) and Mundo Novo (low Vmax), selected from the results of the first experiment were submitted to the following treatments: N-sufficient (N +, 5.0 mmol L 1 N-NO3) without deficit, N-sufficient (N +, 5.0 mmol L-1 N-NO3) with water deficit (-1.5 MPa) and N deficient (N, 0.0 mmol L-1 N-NO3) without deficit to evaluate differential gene expression. In the fourth experiment, five coffee cultivars were submitted to the following treatments: N- sufficient (N +, 5.0 mmol L-1 N-NO3-) without water deficit, N-sufficient (N +, 5.0 mmol L-1 N-NO3-) with water stress (-1.5 MPa) and N-deficient (N, 0.0 mmol L-1 N- NO3-) without water deficit, to evaluate the physiological characteristics related to photosynthesis and parameters Chlorophyll a. The drought was imposed by applying polyethylene glycol 8000. In all experiments we used the randomized block design with three replications. The kinetic parameters of nitrate uptake varied among cultivars in control conditions and under water deficit. The cultivars Catuaí Vermelho, Catuaí Amarelo, Catucaí Amarelo, Catiguá MG2, Acauã, Oeiras and Sarchimor are those with higher rate of absorption in conditions of absence of water deficit. In drought conditions, Catuaí Amarelo has the highest rate of absorption. The cultivar Mundo Novo had no change in kinetic parameters evaluated when the drought was imposed. The Catuaí Amarelo showed better adaptation to drought condition. This cultivar also has higher plasticity, and can be established more easily in conditions with high or low levels of NO3-, but also in low water availability. The genes studied (NRT1.2, NRT3.2, nia2, GLT and GLN1.3) increased its expression in plants subjected to water stress and the deficiency of N. Mundo Novo presented higher relative expression of genes NRT1.2, NRT3.2 and GLT in root tissue 96 h after the imposition of water deficit. In shoots of coffee seedlings the NRT1.2 NRT3.2 genes were those that exhibited the highest relative expression, 8 h and 96 h after imposition of drought, respectively. When the drought was imposed, the NRT1.2 genes, NRT3.2, NIA2 and GLT had higher differential transcription in the root system of plants. Already GLN1.3 gene in reduced water availability conditions showed higher expression in the shoot. The drought has caused major changes in the relative expression of the genes studied than N deficiency. Nitrogen deficiency caused minor damage to the photosynthetic apparatus of plants that the water deficit. The drought affected the leaf water potential, net photosynthesis, stomatal conductance, water use efficiency, electron transport rate, quantum efficiency of PSII and photochemical efficiency of PSII of coffee seedlings, reducing them during the period. For the treatment with nitrogen deficiency, only the variables electron transport rate, quantum efficiency of PSII and photochemical efficiency of PSII of coffee seedlings were affected and also decreased.