Publicação
Effects of iron deficiency and elevated CO2 concentration in bean and soybean plants
| datacite.subject.fos | Ciências Agrárias::Biotecnologia Agrária e Alimentar | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Vasconcelos, Marta Wilton Pereira Leite de | |
| dc.contributor.advisor | Pintado, Maria Manuela Estevez | |
| dc.contributor.author | Soares, José Carvalho | |
| dc.date.accessioned | 2024-05-14T17:46:21Z | |
| dc.date.available | 2024-05-14T17:46:21Z | |
| dc.date.issued | 2023-05-05 | |
| dc.date.submitted | 2022-09 | |
| dc.description.abstract | Elevated CO2 (eCO2) and the levels of iron (Fe) in soil are key factors affecting plant growth and the nutritional quality of crop plants. In this study, we tested the hypotheses that 1) phenotypic plasticity in bean and soybean genotypes affects the adaptation to eCO2 regarding seed yield and nutritional responses; 2) there are contrasting responses between plants grown in a controlled environment and field trials under eCO2; 3) exposure and adaptation to eCO2 may be involved in the alteration of gene expression that leads to changes in metabolic pathways of plants, and 4) the interaction of eCO2 and Fe-limitation in soybean might impact the growth, physiology, and molecular response mechanisms. To test the hypotheses, we exposed several bean and soybean genotypes to eCO2 in a controlled environment (800 ppm) and in field experiments (600 ppm) to evaluate yield, physiological, and nutritional responses. After that, using the most responsive genotype to CO2 enrichment in terms of yield improvement and nutritional resilience, we studied the impact of eCO2 on gene expression using a transcriptomic analysis. Finally, it was assessed how eCO2 and Fe-limitation affected the physiological and molecular responses of soybean plants. The selection of varieties adapted to eCO2 is a crucial decision to improve the yield of crop plants in future CO2 concentrations. To study the intraspecific variation among bean and soybean genotypes in yield and nutritional quality parameters, plant growth at eCO2 was evaluated in a controlled environment. The range of seed yield responses was -11.0 to 32.7% in beans and -23.8 to 39.6% in soybean plants. Grain protein concentration increased in beans and was not affected in soybean. Elevated CO2 had both positive and negative effects on grain mineral concentrations. Variation in seed yield increase and reduced sensitivity to mineral losses might be suitable parameters to select lines for the forthcoming eCO2 conditions. Subsequently, the previously cultivated soybean genotypes were grown under free-air CO2 enrichment (FACE) conditions to evaluate the yield and grain nutritional impact after exposure to CO2 enrichment under natural conditions. Seed yield increased by 47.0% among soybean genotypes. Elevated CO2 improved the photosynthetic carbon assimilation rate, leaf area, plant height, and aboveground plant biomass. Moreover, grain concentration of calcium, phosphorus, potassium, magnesium, manganese, iron, boron, and zinc decreased under eCO2 conditions. Soluble sugars and starch increased by 9.1 and 16.0%, respectively, phytic acid increased by 8.1%, and grain protein content decreased by 5.6%. In addition, antioxidant activity decreased by 36.9%, and total phenolic content was not affected by eCO2 conditions. The soybean genotype Wisconsin Black was selected as the best candidate to study the effect of eCO2 exposure on transcriptome analysis and physiological changes. The study evaluated the coordinated response of root and leaf tissues under eCO2. The transcriptomic analysis showed that several hundred genes were expressed differentially due to CO2 enrichment in soybean. Further analysis of KEGG pathways showed that differentially expressed genes were enriched in photosynthesis, biosynthesis of secondary compounds, nitrogen metabolism, fatty acid metabolism, and circadian rhythm-related genes in both leaves and roots. Therefore, this study has the potential to discover genes and pathways responsible for adaptation to eCO2 in soybean plants. The last part of the thesis included the study of the interaction between eCO2 and Fe- limitation on soybean plants grown in hydroponics. Elevated CO2 stimulates plant growth in Fe-limited and Fe-sufficient plants. However, downregulation of photosynthesis and an increase in water-use efficiency occurred at eCO2. The Fe deficiency-induced responses in roots, including the ferric chelate reductase activity and the expression of Fe-uptake genes, increased by eCO2. Proteomic analysis identified 705 and 589 differentially expressed proteins in root and leaf tissues, respectively. Pathway enrichment analysis showed that cell wall organization, glutathione metabolism, photosynthesis, stress-related proteins, and biosynthesis of secondary compounds changed to cope with Fe-stress in root tissues.Moreover, plant growth at eCO2, with sufficient or limited Fe supply, was related to the increased abundance of proteins involved in glycolysis, starch and sucrose metabolism, biosynthesis of plant hormones gibberellins, and decreased levels of protein biosynthesis. Our results revealed that proteins and metabolic pathways related to Fe-limitation changed the effects of eCO2 and negatively impacted soybean production, which may have important implications for soybean production in the future. | pt_PT |
| dc.description.abstract | A concentração elevada de CO2 na atmosfera e os níveis de ferro no solo são fatores-chave que afetam o crescimento e a qualidade nutricional das plantas. Neste estudo, foram testadas as hipóteses de que 1) a plasticidade fenotípica em variedades de feijão e soja afeta a adaptação a condições de CO2 elevado; 2) existem mecanismos de resposta contrastantes em plantas crescidas, em ambiente controlado ou em ensaios de campo, a CO2 elevado; 3) a exposição e adaptação a concentração elevada de CO2 pode estar envolvida na alteração da expressão genética que origina mudanças nas vias metabólicas das plantas; e 4) a interação de CO2 elevado com a limitação de ferro deve ter um impacto significativo no crescimento, fisiologia e nas alterações moleculares das plantas. De modo a testar as hipóteses de estudo, vários genótipos de feijão e soja foram crescidos a CO2 elevado em ambiente controlado (800 ppm) e em ensaios de campo (600 ppm), para avaliar a produtividade e a resposta a nível fisiológico e nutricional. De seguida, no genótipo com maior suscetibilidade ao aumento da produção de sementes e menor redução nutricional a nível do grão, foi avaliado o efeito da concentração elevada de CO2 na alteração da expressão genética utilizando uma análise de transcritómica. Finalmente, foi avaliado o efeito da interação de CO2 elevado e da limitação de ferro na resposta das plantas a nível fisiológico e molecular. A seleção de variedades adaptadas a condições de CO2 elevado é uma decisão importante, com o intuito de melhorar a produtividade das culturas agrícolas nas concentrações futuras de CO2. Com o objetivo de estudar a variação intraespecífica em genótipos de feijão e soja, em parâmetros de produtividade e qualidade nutricional, avaliou-se o crescimento das plantas a CO2 elevado em ambiente controlado. A variação no rendimento de sementes foi de -11.0 a 32.7% em feijão e de -23.8 a 39.6% em soja. A concentração de proteína no grão de feijão aumentou significativamente e não foi afetada na soja. O CO2 elevado apresentou efeitos positivos e negativos na concentração dos minerais nas sementes. Um aumento da produção de sementes e uma redução da sensibilidade às perdas minerais podem ser parâmetros adequados na seleção de variedades futuras. De seguida, genótipos de soja cultivados anteriormente cresceram em experiências de campo no sistema de enriquecimento de CO2 ao ar livre (FACE) com o objetivo de avaliar a produtividade e o impacto nutricional no grão em condições naturais. O rendimento das sementes aumentou em média 47.0%. O CO2 elevado aumentou a taxa de assimilação fotossintética, área foliar, altura e a biomassa das plantas. Os níveis de cálcio, fósforo, potássio, magnésio, manganês, ferro, boro e zinco no grão diminuíram em condições de CO2 elevado. Os açúcares solúveis e amido aumentaram 9.1 e 16.0%, respetivamente, o ácido fítico aumentou 8.1%, e o teor de proteína no grão diminuiu 5.6% nos genótipos estudados. Além disso, a atividade antioxidante teve um decréscimo de 36.9%, e o conteúdo fenólico total não foi afetado pelas condições de CO2 elevado. O genótipo de soja Wisconsin Black foi selecionado como melhor candidato para avaliar o efeito da exposição a concentrações de CO2 elevado na análise do transcritoma e nas alterações fisiológicas. Este estudo avaliou a resposta coordenada em tecidos radiculares e foliares em condições de CO2 elevado. Várias centenas de genes foram expressos diferencialmente pela exposição ao CO2. Análise das vias metabólicas do KEGG mostraram o enriquecimento em genes presentes na fotossíntese, biossíntese de compostos secundários, metabolismo do azoto, metabolismo dos lípidos e genes relacionados com ritmo circadiano em folhas e raízes. Este estudo revelou potencial para identificar genes e vias metabólicas responsáveis pela adaptação da soja a CO2 elevado. Na última parte da tese, plantas de soja foram cultivadas em hidroponia para analisar o resultado da interação entre CO2 elevado e a limitação de ferro nas respostas morfológicas, fisiológicas e moleculares. A concentração de CO2 elevado aumentou o crescimento das plantas independentemente da concentração de ferro. No entanto, ocorreu a aclimatização da fotossíntese e um aumento na eficiência do uso da água devido à exposição ao CO2 elevado. As respostas induzidas pela limitação de ferro nas raízes, sob CO2 elevado, incluíram o aumento da atividade da redutase férrica e a expressão de genes responsáveis pela captação de ferro. A análise proteómica identificou 705 e 589 proteínas expressas diferencialmente em raízes e folhas, respetivamente, de acordo com as condições observadas. A análise de enriquecimento mostrou que as vias metabólicas relacionadas com a parede celular, metabolismo da glutationa, fotossíntese, proteínas relacionadas com stress e síntese de compostos secundários foram alteradas devido ao stress de ferro nos tecidos radiculares. O crescimento das plantas, com ou sem limitação de ferro, ocorreu a concentrações de CO2 elevado, assim como, um aumento da expressão de proteínas envolvidas na glicólise, metabolismo de amido e sacarose, síntese de giberelinas, e uma diminuição de proteínas envolvidas na biossíntese proteica. Os resultados revelaram que proteínas e vias metabólicas relacionadas com a limitação de ferro alteram os efeitos do CO2 elevado e afetam negativamente a produção de soja, e isso pode ter implicações importantes para a sua produção no futuro. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 101719876 | pt_PT |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.14/45083 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.subject | Elevated CO2 | pt_PT |
| dc.subject | Gene | pt_PT |
| dc.subject | Iron limitation | pt_PT |
| dc.subject | Protein | pt_PT |
| dc.subject | Soybean | pt_PT |
| dc.subject | CO2 elevado | pt_PT |
| dc.subject | Limitação de ferro | pt_PT |
| dc.subject | Proteína | pt_PT |
| dc.subject | Soja | pt_PT |
| dc.title | Effects of iron deficiency and elevated CO2 concentration in bean and soybean plants | pt_PT |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| person.familyName | Soares | |
| person.givenName | José | |
| person.identifier | 2495179 | |
| person.identifier.ciencia-id | 0613-C801-343D | |
| person.identifier.orcid | 0000-0002-7241-8719 | |
| person.identifier.scopus-author-id | 36899864900 | |
| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | doctoralThesis | pt_PT |
| relation.isAuthorOfPublication | 667aa379-37b7-4ece-a2f3-7706ab931bb8 | |
| relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery | 667aa379-37b7-4ece-a2f3-7706ab931bb8 | |
| thesis.degree.name | Doutoramento em Biotecnologia | pt_PT |