Photosynthetic mechanisms and source-sink relationship in sugarcane grown in elevated CO2

A concentração de CO2 na atmosfera tem aumentado progressivamente nos últimos anos. Este aumento é atribuído em sua maior parte à ação humana e à atividades como mudanças no uso da terra, desflorestamento e uso de combustíveis fósseis. É previsto que as mudanças do clima decorrentes desse aumento do CO2 irão impactar de forma significativa na agricultura. A cana-de-açúcar é uma planta de grande importância na economia mundial devido ao seu uso na indústria sucroalcoleira. Neste sentido, conhecer como o aumento de CO2 irá impactar nesta cultura é de importância estratégica para o país e para o mundo. Experimentos com cana-de-açúcar cultivada em elevado CO2 têm demonstrado aumento na taxa de fotossíntese, biomassa e no conteúdo de sacarose. Especula-se que a maior taxa de fotossíntese observada nesses experimentos é regulada por meio da taxa de transporte de elétrons, uma vez que genes relacionados a este processo foram observados com maior expressão em alto CO2. No entanto, os mecanismos que envolvem este processo ainda são desconhecidos. Com o objetivo de compreender os mecanismos envolvidos na regulação e funcionamento da fotossíntese em cana-de-açúcar, este trabalho apresenta dados sobre o ciclo diário de fotossíntese e carboidratos não estruturais, bem como dados fisiológicos, bioquímicos e de expressão gênica de plantas cultivadas em atmosfera enriquecida de CO2. Os resultados obtidos mostram que a regulação da fotossíntese em alto CO2 é dada pela manutenção do crescimento que esta condição proporciona às plantas, uma vez que o cultivo no vaso limita o crescimento na raiz e leva a um possível déficit hídrico. Genes e proteínas relacionados direta ou indiretamente ao processo de transporte de elétrons foram encontrados com expressão diferencial, corroborando os dados obtidos nas medidas in vivo. Por outro lado, os dados mostram pouca variação no sistema de captação de CO2, indicando que a principal regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar ocorre por meio do sistema de captura de luz. Foram observados proteínas e genes relacionados com o conteúdo de açúcares e com o crescimento, que podem ser pontos importantes de regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar. Com os dados obtidos foi possível inferir que o aumento do CO2 na atmosfera irá beneficiar as plantas de cana-de-açúcar, sendo que pontos de regulação descritos neste trabalho têm potencial de utilização como ferramentas que auxiliem na determinação de cultivares mais produtivos.The atmospheric CO2 concentration has been increasing progressively along the last years. This increase is attributed mainly to humans action and to land use changes, deforestation and fossil fuel burning. Is it predicted that the global climate changes resulting from CO2 increase will impact significantly agriculture. Sugarcane is very important for worlds economy due to its use for sugar and alcohol industry. In this way, the knowledge of how sugarcane will respond at elevated CO2 is important to design strategies for biofuel production and use in Brazil and in the world. In experiments with sugarcane grown under elevated CO2 sugarcane plants have shown an increase in photosynthesis, biomass and sucrose content. It was then speculated that the higher photosynthesis observed in these experiments might be regulated by electron transport rates, since genes related to this process were observed with higher expression in elevated CO2. However, the mechanisms that are related with this process are still unknown. The aim of this thesis was to understand the mechanisms related in the regulation and functioning of photosynthesis in sugarcane in elevated CO2. This work presents data about diurnal cycle of photosynthesis and non structural carbohydrates, physiology, biochemistry and gene expression. The results show that photosynthesis regulation in elevated CO2 is linked with the plant growth that remains under these conditions, since the pots cause roots growth limitations and leads a possibly water deficit. Genes and proteins were found that are related directly or indirectly to electron transport process as seen from differential expression. This corroborates the data obtained from in vivo measurements. On the other hand, our data show little variation in CO2 capture system, indicating that the mainly regulations of photosynthesis in sugarcane occurs due changes in light capture system. Proteins and genes have been observed that associated with sugar content and growth. These might be key for understanding regulation of photosynthesis in sugarcane. With the data obtained it is possible to speculate that elevation of CO2 will benefit the sugarcane plants in the future. Also, the regulation points described in this work have potential to be used as tools to help finding more productive cultivars