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Studies on the feasibility of cryopreservation of Coffea sp. species

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Resumo

Para garantir a sustentabilidade da cafeicultura a longo prazo, é fundamental que a diversidade genética seja preservada. Porém, sementes do gênero Coffea sp possuem baixa longevidade quando conservadas ex situ, colocando em risco a variabilidade genética existente. A criopreservação é uma alternativa que vem sendo amplamente pesquisada para espécies que produzem sementes intermediárias e recalcitrantes, sendo que para Coffea arabica já é conhecido um protocolo de criopreservação seguro para o armazenamento das sementes. O objetivo principal deste trabalho foi explorar novas técnicas utilizadas durante a criopreservação e compreender o comportamento da espécie Coffea arabica durante o processo, visando obter um protocolo seguro para criopreservar sementes de Coffea canephora. O trabalho foi dividido em três estudos, sendo o primeiro sobre a investigação do uso da solução crioprotetora PVS2 em sementes do gênero Coffea sp, visando possibilitar a criopreservação de sementes de Coffea canephora. A solução de PVS2 não foi tóxica, porém, não protegeu as sementes dos danos do congelamento nos protocolos testados. Durante o estudo foi descoberta a importância do pergaminho na proteção das sementes durante o contato direto com o nitrogênio líquido. Quando analisados, os pergaminhos de Coffea arabica e Coffea canephora apresentaram diferente composição química e morfologia. No segundo estudo, foi investigado o uso de nanopartículas de hidroxiapatita e de óxido de ferro em diferentes concentrações nas sementes das espécies Coffea arabica e Coffea canephora visando o uso destas durante o processo de criopreservação. Os resultados mostraram que as nanopartículas estudadas não são tóxicas quando utilizadas nas concentrações testadas e podem influenciar positivamente a qualidade das sementes, podendo ser usadas durante o processo de criopreservação. No terceiro estudo, foi feita a análise da expressão gênica de sementes criopreservadas de Coffea arabica, com o objetivo de melhor entender os mecanismos envolvidos na tolerância à ultrabaixas temperaturas durante o processo de criopreservação. De acordo com os resultados, sementes secadas em sílica gel até 17% de umidade possuem um sistema de sinalização mais eficiente aos estresses, resultado em maior sobrevivência após a criopreservação.

Abstract

To guarantee the long-term sustainability of coffee growing, genetic diversity must be preserved. However, seeds of the Coffea sp genus have low longevity when preserved ex-situ, putting the existing genetic variability at risk. Cryopreservation is an alternative that has been widely researched for species that produce intermediate and recalcitrant seeds, and for Coffea arabica, a safe cryopreservation protocol for seed storage is already known. The main objective of this work was to explore new techniques used during cryopreservation and to understand the behavior of the Coffea arabica species during the process, to obtain a safe protocol for cryopreserving Coffea canephora seeds. The work was divided into three studies, the first of which investigated the use of the PVS2 cryoprotectant solution in seeds of the Coffea sp genus, to enable the cryopreservation of Coffea canephora seeds. The PVS2 solution was not toxic, but it did not protect the seeds from freezing damage in the protocols tested. During the study, the importance of parchment in protecting seeds during direct contact with liquid nitrogen was discovered. When analyzed, the parchments of Coffea arabica and Coffea canephora showed different chemical compositions and morphology. In the second study was investigated the use of hydroxyapatite and iron oxide nanoparticles in different concentrations in the seeds of the Coffea arabica and Coffea canephora species, to use them during the cryopreservation process. The results showed that the nanoparticles studied were non-toxic when used in the concentrations tested and could positively influence seed quality and be used during the cryopreservation process. In the third study, the gene expression of cryopreserved Coffea arabica seeds was analyzed to better understand the mechanisms involved in tolerance to ultra- low temperatures during the cryopreservation process. According to the results, seeds dried in silica gel at up to 17% moisture content have a more efficient stress signaling system, resulting in greater survival after cryopreservation.

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COSTA, M. C. Studies on the feasibility of cryopreservation of Coffea sp. species. 2024. 113 p. Tese (Doutorado em Agronomia/Fitotecnia)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.

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