Physiological and metabolic characteristics in leaves of sugarcane cultivars contrasting for drought tolerance

O estresse hídrico é um dos estresses de maior importância na produtividade das plantas. Objetivando fornecer evidências de possíveis mecanismos de tolerância à seca, no presente trabalho caracterizou-se a fisiologia e o metabolismo de folhas de plantas de cana de açúcar, de cultivares contrastantes para a tolerância à seca. Para tal, plantas das cultivares RB867515 e RB855536, com características de tolerância e sensibilidade, respectivamente, foram crescidas em vasos de 30L até aproximadamente 50 cm de altura, quando foram submetidas aos potenciais hídricos de 0 MPa (controle), -0,5 MPa (défice moderado) e -1 MPa (défice severo). A cultivar tolerante apresentou retardamento da desidratação foliar com redução da condutância estomática e maior eficiência do uso da água sob estresse hídrico severo, momento no qual observou-se uma inibição bioquímica da fotossíntese semelhante entre genótipos, como pode ser deduzido do aumento da razão Ci/Ca e A/Ci. O menor dano oxidativo no cultivar tolerante pode ser inferido pela presença de menor extravasamento de eletrólitos, mas o teor de MDA foi semelhante entre as duas cultivares nos dois níveis de estresse. Os dados de fluorescência da clorofila a permitem sugerir que a cultivar tolerante pode apresentar mais fotodanos na presença de estresse hídrico, visto que esta possui maior redução do rendimento quântico máximo potencial do FSII (Fv/Fm), maior elevação na fluorescência mínima em folhas adaptadas ao escuro (Fo), e menor coeficiente de extinção não fotoquímico (qN). O fato de não haver diferenças no rendimento quântico da conversão fotoquímica da energia no fotossistema II (ΦII ) indica que o genótipo tolerante compensou o menor Φ NPQ (rendimento quântico de dissipação de energia regulada) com um maior ΦNO (rendimento quântico de perda de energia não regulada do FSII). O maior ΦNO pode ser um mecanismo que contribui para a tolerância à seca, visto que pode ajudar a reduzir a formação de clorofilas e a produção de radicais livres e espécies reativas de oxigênio. Alterações no metabolismo sugerem um papel da osmorregulação no mecanismo de tolerância à seca, visto que a variedade tolerante apresentou maiores níveis de malato e aminoácidos livres sob estresse moderado e maiores níveis de glicose, frutose, malato e aminoácidos sob estresse severo. Foi possível observar um aumento em cerca de 10X nos níveis de ABA foliar em ambos os genótipos sob estresse moderado, mas sob estresse hídrico severo, estes altos níveis são mantidos somente no genótipo tolerante. Os resultados permitiram observar que a maior tolerância à seca observada a campo para a variedade RB 867515 também pode ser observada em pequenos vasos, onde a taxa de imposição do défice hídrico é muito mais rápida do que em condições naturais. Entre os fenótipos de tolerância, concluímos que a composição isotópica seria o método de seleção mais apropriado para selecionar progênies portadoras de tolerância à seca.Water deficit is the more preeminent stress that reduce crop productivity. Aiming to identify drought tolerance mechanisms in sugarcane, we have characterized the physiological and metabolic responses in greenhouse of two varieties with contrasting tolerance to water deficit under field conditions: RB867515 tolerant and RB855536, drought sensible. Plants were growth in pots of 30L until plants reached 50 cm in height, when they were submitted to water stress by irrigation suspension until leaf water potential reached -0,5 MPa (moderate water deficit) and -1 MPa (severe water deficit). The tolerant cultivar showed a dehydration postponement in parallel to decreased stomata conductance and higher instantaneous water use efficiency under severe water stress, treatment that also result in a biochemical inhibition of photosynthesis, as deduced from the decrease in Ci/Ca and A/Ci ratios. Lower oxidative damage was observed in RB867515 due to smaller electrolyte leakage, although no differences for lipid peroxidation was observed between genotypes. Chlorophyll a fluorescence data allow us to detect a small photodamage exclusively in the tolerant genotype, since the higher Fv/Fm, Fo and qN values measured. Thais damage could be relate to the rapid water stress applied (five days for severe water stress), which could not be observed under natural conditions, where the dehydration rate is slower under water shortage. The absence of differences in ΦII between the genotypes under drought could be explained by the fact that the RB867515 variety compensate the lower Φ NPQ with a higher ΦNO . The higher ΦNO could be a mechanism that contributes to drought tolerance in sugarcane, since that this increase could be linked with a reduction in triplet chlorophyll and free radicals. Contrasting changes in metabolism suggest an important role of osmoregulation for drought tolerance in sugarcane, since tolerant variety has higher levels of malate and free aminoacids under moderate stress, and higher levels of glucose, fructose, malate and free aminoacids under severe drought stress. Moderate water stress produce an average increase of ten times in leaf ABA for both genotypes, however this high level of ABA was observed only for RB867515 leaves under severe water stress, and could be a mechanism to explain the dehydration postponement, smaller stomata conductance and lower electrolyte leakage. The results allow us to conclude that the water deficit tolerance of RB867515 could be observed under different water shortage regimes, and that isotopic composition will be the more practical and accurate phenotypic evaluation for selection of drought tolerance traits in progenies that use this cultivar as a parent, fact a quite usual in sugarcane in Brazil, since this cultivar is the more cultivated variety in this country.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio