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Nitrogen-15 remobilisation in Saccharum spp. at the vegetative growth under drought stress and rehydration conditions

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Universidade Federal de Lavras

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Programa de Pós-Graduação

Programa de Pós-Graduação em Agronomia/Fisiologia Vegetal

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

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Tecnológico
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Meio ambiente
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ODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima

Dados abertos

Resumo

O estresse hídrico é uma das principais limitações à produtividade da cana-de-açúcar (Saccharum spp.), afetando negativamente a absorção e assimilação de nitrogênio. Nessas condições, a remobilização interna de nitrogênio torna-se essencial para sustentar o crescimento e o desenvolvimento das plantas. Este estudo investigou os efeitos do estresse hídrico e da reidratação subsequente sobre a remobilização de nitrogênio na cana-de-açúcar (variedade CTC9001bt), com foco específico na interação entre os metabolismos de nitrogênio e carbono. As plantas foram cultivadas em casa de vegetação sob condições controladas e submetidas a tratamentos bem irrigados (~90% da capacidade de retenção de água, CRA) e com deficiência hídrica (~20% da CRA). Sulfato de amônio enriquecido com 15N foi aplicado na folha +1 aos 25 dias após o transplante (DAT) para rastrear os padrões de remobilização de nitrogênio. Análises fisiológicas, bioquímicas e isotópicas foram realizadas no estresse máximo (38 DAT) e após a reidratação (43 DAT). O estresse hídrico reduziu significativamente a altura das plantas, o potencial hídrico foliar, a condutância estomática, a taxa fotossintética e a transpiração. Essas alterações fisiológicas foram acompanhadas por uma redução na discriminação isotópica de carbono (Δ13C), principalmente em raízes, folhas e folhas marcadas com 15N. Em contrapartida, os valores de Δ13C aumentaram nos colmos sob estresse. A remobilização de nitrogênio foi intensificada em condições de déficit hídrico, com alocação preferencial para raízes e bainhas foliares, contribuindo para o aumento da eficiência do uso de nitrogênio (EUN). O acúmulo de osmorreguladores, como prolina, açúcares solúveis, amido e carotenoides, favoreceu a fotoproteção e o equilíbrio metabólico. Após a reidratação, o nitrogênio foi redistribuído para os limbos foliares, promovendo uma recuperação parcial do teor de clorofila e do desempenho fotossintético. No entanto, os parâmetros de troca gasosa permaneceram inferiores aos das plantas bem irrigadas, indicando recuperação incompleta. Enzimas chave do metabolismo do nitrogênio, como a glutamina sintetase (GS) e a redutase do nitrato (NR), foram moduladas pela disponibilidade hídrica. Alterações na razão carbono-nitrogênio refletiram a alocação dinâmica de recursos em resposta ao estresse e à recuperação. Esses achados ressaltam a importância das respostas metabólicas integradas de nitrogênio e carbono para a resiliência da cana-de-açúcar frente ao estresse hídrico. Compreender a dinâmica da remobilização de nitrogênio possui implicações agronômicas práticas, incluindo o potencial para otimizar o manejo da adubação, reduzir perdas de nitrogênio e aumentar a estabilidade da produtividade em condições de seca. Além disso, esses conhecimentos podem subsidiar o desenvolvimento de estratégias de agricultura de precisão e orientar programas de melhoramento voltados à melhoria da EUN e à sustentabilidade ambiental na produção de cana- de-açúcar.

Abstract

Drought stress is a major constraint on sugarcane (Saccharum spp.) productivity, negatively affecting nitrogen uptake and assimilation. Under such conditions, internal nitrogen remobilisation becomes essential for sustaining plant growth and development. This study investigated the effects of drought stress and subsequent rehydration on nitrogen remobilisation in sugarcane (variety CTC9001bt), with a specific focus on the interaction between nitrogen and carbon metabolism. Sugarcane plants were cultivated under controlled greenhouse conditions and subjected to well-watered (~90% water holding capacity, WHC) and water- deficient (~20% WHC) treatments. 15N-labelled ammonium sulphate was applied to the +1 leaf at 25 days after transplanting (DAT) to trace nitrogen remobilisation patterns. Physiological, biochemical, and isotopic analyses were performed at maximum stress (38 DAT) and following rehydration (43 DAT). Drought stress significantly reduced plant height, leaf water potential, stomatal conductance, photosynthetic rate, and transpiration. These physiological changes were accompanied by a decline in carbon isotope discrimination (Δ13C), particularly in roots, leaves, and 15N-labelled leaves. In contrast, Δ13C values in stalks increased under drought. Nitrogen remobilisation was enhanced under water deficit conditions, with preferential allocation to roots and sheath leaves, contributing to improved nitrogen use efficiency (NUE). The accumulation of starch and osmoprotectants, such as proline, soluble sugars, and carotenoids, supports photoprotection and metabolic balance. Following rehydration, nitrogen was redistributed to the leaf blades, promoting partial recovery of chlorophyll content and photosynthetic performance. However, gas exchange parameters remained below those of well-watered plants, indicating incomplete recovery. Key enzymes involved in nitrogen metabolism, including glutamine synthetase (GS) and nitrate reductase (NR), were modulated by water availability. Changes in the carbon-to- nitrogen ratio reflected dynamic resource allocation in response to stress and recovery. These findings underscore the importance of integrated nitrogen and carbon metabolic responses for drought resilience in sugarcane. Importantly, understanding nitrogen remobilisation dynamics has practical agronomic implications, including the potential to optimise fertiliser management, reduce nitrogen losses, and enhance yield stability under drought conditions. Moreover, these insights can support the development of precision agriculture strategies and inform breeding programmes aimed at improving NUE and environmental sustainability in sugarcane production systems.

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VENEGAS, Raquel Yellin Castañeda. Nitrogen-15 remobilisation in Saccharum spp. at the vegetative growth under drought stress and rehydration conditions. 62 p. Dissertação (Mestrado em Agronomia/Fisiologia Vegetal)- Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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