Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.11.2004.tde-13122004-084315
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Author
Full name
Maria Lorena Sereno
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2004
Supervisor
Committee
Figueira, Antonio Vargas de Oliveira (President)
Silva Filho, Marcio de Castro
Ulian, Eugenio Cesar
Title in Portuguese
Avaliação da tolerância de cana-de-açúcar (Saccharum spp.) a metais: expressão dos genes de metalotioneÃna.
Keywords in Portuguese
cana-de-açúcar
contaminação quÃmica
descontaminação
expressão gênica
metal pesado
proteÃnas de plantas
Abstract in Portuguese
Os metais pesados são elementos quÃmicos com alta densidade
(>5 g.cm-3), presentes naturalmente na crosta terrestre, e o aumento das atividades
antropogênicas vêm acelerando a liberação destes elementos nos ecossistemas. Tais
elementos podem ser extremamente tóxicos (ex. mercúrio, chumbo, cádmio) ou tóxicos
quando em concentrações elevadas (zinco e cobre). A fitorremediação é uma técnica de
descontaminação que utiliza as plantas para remover poluentes do ambiente ou
transformá-los em formas menos perigosas para os seres vivos, sendo que o impacto
ambiental e custos de implementação são muito inferiores àqueles alcançados pelos
métodos fÃsico-quÃmicos. Uma cultura para ser utilizada com sucesso na recuperação de
áreas contaminadas, deve ser eficiente na acumulação de metais, produzir grandes
quantidades de biomassa e ser capaz de se adaptar as condições do ambiente
contaminado. A cana-de-açúcar apresenta caracterÃsticas fisiológicas, que a tornaram uma das culturas mais importantes e difundidas nas regiões tropicais, com alta
produtividade de biomassa e rusticidade, possuidora de genes que codificam peptÃdeos
quelantes de metais, já identificados no projeto genoma da cana-de-açúcar (SUCEST).
Neste trabalho foi estudada a expressão gênica de metalotioneÃnas em plântulas de canade-
açúcar. As plântulas foram cultivadas em hidroponia contendo nÃveis elevados de
Cu+2 (50, 100, 250 e 500 µM) e Cd+2 (100, 250 e 500µM). A concentração do metal foi
determinada nos tecidos de raiz e partes aéreas de plantas coletadas após 11 e 33 dias de
tratamento. As maiores doses de Cu (250 e 500 µM) foram letais para as plantas após
11 dias de cultivo, entretanto o efeito das menores dosagens no crescimento foi
comparável ao controle aos 33 dias de tratamento. As plantas foram capazes de
acumular quantidades significativas de cobre e cádmio, principalmente nas raÃzes.
Todas as dosagens de cádmio limitaram significativamente o crescimento, mas não o
impediram. Extratos de RNA total foram analisados para a expressão dos genes de
metalotioneÃna dos tipos I, II e III mediante Northern blot. Os resultados mostraram que
houve expressão dos genes para metalotioneÃnas dos três tipos constitutivamente, sendo
mais elevada para MT I e MT II, tanto em folhas como em raÃzes de cana de açúcar. A
expressão de MT I foi maior nas raÃzes que nas folhas. Já os genes MT II e MT III
foram mais expressos em folhas que em raÃzes. Os genes de metalotioneÃnas de cana-deaçúcar
são pouco afetados ou não são modulados por Cobre. Em relação ao Cd, ocorre
um acúmulo de transcritos de MT nas raÃzes aos 11 dias levemente proporcional Ã
concentração do metal, (exceto para MT III) que é seguido de um decréscimo de
transcritos, também paralelo aos teores de Cd na solução, aos 33 dias. Da mesma forma, existe uma indução de MT II e principalmente MT III na parte aérea, com o aumento da
concentração de cádmio na solução, mais acentuada aos 11 dias. Estes resultados
evidenciam a capacidade da cana-de-açúcar de tolerar e acumular Cu e Cd, sugerindo
um potencial fitorremediador para recuperação de áreas contaminadas com esses metais.
Title in English
Evaluation of the sugarcane tolerance (Saccharum spp.) to metals: metallothionein gene expression
Keywords in English
gene expression
heavy metals
phytoremediation
plant protein
sugarcane
Abstract in English
Heavy metals are elements with high density (>5 g.cm-3), naturally
occurring in soils, and with the increase of anthropogenic activities has accelerated the
release of these elements in ecosystems. Heavy metals can be highly toxic (e.g.
Mercury; Lead; Cadmium) or toxic at high concentration (Zinc and Copper).
Phytoremediation is a clean up technology based on the use of plants to remove
pollutants from the environment or to transform them in less toxic forms to living
organisms, with less environmental impact at a lower cost than physic-chemical
methods. A crop to be successfully used to recover contaminated areas must be efficient
in metal accumulation, must yield large amounts of biomass and to be able to adapt to
contaminated conditions. Sugarcane (Saccharum spp.) presents physiological
characteristics that allowed this crop to become widely adopted in tropical, with high biomass production and with genes associated with chelating peptides already identified
by the Sugarcane genome project (SUCEST). In this work, metallothionein gene
expression was investigated in sugarcane plantlets. The young plants were growth in ¼
Hoagland solution containing elevated levels of Cu+2 (50, 100, 250 and 500 µM) or Cd+2
(100, 250 and 500µM). Metal concentration were determined in root and shoot tissues
harvested at 11 and 33 days of treatment. The highest Cu doses (250 and 500 µM) killed
the plants after 11 days of culture, however the effect of the lowest dosages were
comparable to the control after 33 days of treatment. The plants were capable of
accumulate large amount of Cu and Cd, mainly in roots. All Cd dosages significantly
limited growth, but without stopping it. Total RNA was analyzed for metallothionein
Type I, II and III gene expression by northern. Results indicated that expression of the
three types of metallothionein genes was constitutive, with more expression of MT I and
MT II, in leaves and roots. MT I expression was greater in roots than in shoots. But MT
II and MT III genes were more expresses in shoots. Metallothionein gene expression
was poorly affected or not at all by Cu. But for Cd, there was an accumulation of MT
transcripts in roots at 11 days slightly proportional to Cd concentration, except for MT
III, which was followed by a decrease in transcripts, also parallel to Cd levels in solution
at 33 days. Similarly, there as an induction of MT II and mainly MT III in shots with the
increase of Cd concentration in solution, more pronounced at 11 days of treatment.
These results demonstrated the ability of sugarcane to tolerate and accumulate Cu and
Cd, suggesting a potential application in phytoremediation of areas contaminated with
heavy metals.
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Publishing Date
2004-12-16